【導讀】天線是一種用來發(fā)射或接收無線電波的組件,對通過無線方式連接的設備而言,天線接收與發(fā)射電波信號的性能,將對無線通信的效率、速率,帶來決定性的影響。本文將為您簡介一些天線的技術概念與天線的類型,以及由Molex所推出的2.4GHz/5GHz雙頻外置天線的產品特性。
天線對任何無線電通信系統(tǒng)都至關重要
無線通信的基本結構主要是由發(fā)射器與接收器所組成,發(fā)射器負責將語音、視頻以及各種數據編碼為正弦形式的電磁波后發(fā)出,接收器則會接收并解碼這些電磁波從而獲得數據。其中的發(fā)射器和接收器在發(fā)射信號時都需要使用天線,天線就是把電場轉換為電磁波的設備。
天線是空間中導體內的電子運動及傳播的無線電波之間的媒介,在傳輸時,發(fā)射器會在天線上施加電流而產生輻射的電磁場,使得電流的能量轉變成無線電波。在接收時,天線會由于電場的感應,而在天線內部產生電流,并在其終端產生電壓,在接收器中產生電信號。天線被廣泛應用于廣播、點對點無線電通信、雷達和太空探索等通信系統(tǒng),天線則是無線電通信系統(tǒng)中的必需組件。
選擇合適天線的關鍵作法
天線的種類依據電波輻射方式,可以分為全向天線與定向天線兩大基本類型,全向天線是在平面中均勻輻射,定向天線又稱指向天線,則可在某個方向輻射較多能量。在自由空間內,任何天線都可向各個方向輻射能量,但是特定的架構會使天線在某個方向上獲得較大的方向性,而其他方向的能量輻射則可以被忽略不計。
全向天線則是在所有方向上均等地發(fā)射和接收無線電信號,全向天線的有效信號模式看起來像是環(huán)形,天線則位于中心點,手機使用的就是全向天線,當無線設備位于星形拓撲的中心時,最適合使用全向天線,而對于長距離的點對點通信,則最好使用定向天線。
定向天線則是在同一物理平面中布置多個金屬組件,將發(fā)射器或接收器的大部分能量集中在單個方向上。定向天線通常用于室外,適用于較長距離的信號傳遞。
此外,天線也可以分成外置天線與內置天線,顧名思義,外置天線為獨立于主板的外部天線,相對于外置天線,則還有PCB天線、FPC天線、LDS天線這類內置天線,有著自己獨特的產品形態(tài)。PCB天線大量應用于藍牙模塊、Wi-Fi模塊、Zigbee模塊等單一頻段的模塊電路板上,其成本很低,一次除錯完便無需再次除錯,但僅適合單一頻段;FPC天線則相當于把PCB板上的天線線路拉出來,用其他外部的金屬來做天線,通常用于頻段復雜的中低端手機和智能硬件產品里;LDS天線則是FPC天線的進化版,空間利用率極高,LDS天線是通過使用激光將天線圖案直接結構化到模制器件上而形成的,這使得它們非常適合內部空間狹小的應用。這些類型的天線各有其明顯的優(yōu)點和缺點,可以根據應用的具體情況選擇合適的天線。
使用正確的天線解決方案來優(yōu)化無線網絡性能
天線是無線通信重要的組成部分,合適的天線可以優(yōu)化無線網絡,增加通信范圍和可靠性,反之則意味著通信質量下降。在選擇天線時,必須了解多種天線參數,像是頻率、匹配阻抗、電壓駐波比(VSWR)、增益、輻射效率值和極化等參數,以及使用它們的設備之特性。
天線的工作頻率是最關鍵的參數,以Wi-Fi應用為例,第一代的IEEE 802.11與第二代的IEEE 802.11b的工作頻段為2.4GHz,第三代的IEEE 802.11a的工作頻段則延伸到5GHz,且第四代的IEEE 802.11n(也稱為Wi-Fi 4)則同時包含2.4和5GHz的工作頻段,第五代IEEE 802.11ac(也稱為Wi-Fi 5)的工作頻段為5GHz,第六代IEEE 802.11ax(也稱為Wi-Fi 6)則是對前幾代產品的重大升級,因為除了當前支持的2.4和5GHz頻段之外,它還可以實現(xiàn)更快的連接速度。因此,可以同時支持2.4和5GHz的雙頻天線,可以成為支持越來越多的新一代高速Wi-Fi設備的候選者。
天線的另一個常見參數便是增益,天線增益代表天線對信號的能量集中的程度與轉換的效率。增加無線通信的增益并不是放大信號,而是將信號的能量聚集起來,增益可以影響天線操作的方向,一般來說,增益越高,天線的定向性越強,當增益越低時,則所有方向的輻射分布越均勻。
通常天線制造商都會強調高增益天線,但實際上,高增益天線是否真的具有優(yōu)勢呢?事實上仍應以實際應用情況而定,如果您確切知道所需信號的來源,想要獲得最大的增益方向,高增益天線將具有優(yōu)勢。但是,如果您不知道所需信號的來源與方向,則最好使用低增益天線。
在物聯(lián)網應用中非常依賴連接Wi-Fi網絡,因此容易造成網絡擁塞和射頻復雜性,通常會導致性能和可靠性下降,解決方案便是通過采用雙頻Wi-Fi來滿足這些需求,添加5 GHz頻譜可提供顯著更高的性能和更可靠的連接,即使在工業(yè)設施、醫(yī)院和制造工廠等高度擁擠的物聯(lián)網環(huán)境中,也能夠顯著地改善網絡的連接效能。
用于物聯(lián)網應用的高質量Wi-Fi雙頻天線解決方案
Molex生產多種即用型射頻(RF)天線產品,其結構緊湊、性能卓越,并以多種形式提供,適用于所有標準天線協(xié)議和頻率,可以協(xié)助客戶從概念到產品完成,提供完善的支持與多樣的解決方案。
Molex 215868系列Wi-Fi金屬上天線是一種外部天線,頻率范圍為2.4~2.5 GHz和5.15~5.85 GHz。這種雙頻天線可以安裝在金屬表面上,而不會影響射頻性能。天線尺寸僅為44 x 37 x 8.5mm,射頻功率為2W,阻抗為50Ω。它在金屬基板上表現(xiàn)良好,其自粘式安裝方式便于組裝,并在端接電纜端提供U.FL(MHF兼容)連接器選項。如果需要還可以根據特殊需要訂制電纜和連接器,并支持IPX7防水。
Molex的2.4 GHz/5 GHz Wi-Fi金屬上天線-215868系列配備300.00mm微型同軸電纜,可兼容在U.FL/I-PEX MHF連接器端使用。該天線是緊湊型物聯(lián)網(IoT)設備的理想選擇,是支持Wi-Fi、藍牙和ZigBee通信協(xié)議的絕佳選擇。它可以使用粘合劑和螺釘進行安裝,以實現(xiàn)更堅固的安裝。這款薄型天線僅重7.040克,是線性極化和全向天線,以托盤包裝形式提供。它的工作溫度范圍為-40至+85℃,適用于零下溫度環(huán)境。該天線的峰值增益為2.0 dBi(2.4 GHz時)和5.5 dBi(5 GHz時)。該天線的平均總輻射效率超過50%(在2.4 GHz時),在5 GHz時,性能超過45%。
結語
天線對于無線通信的效率影響甚巨,選擇合適的天線將能夠大大提升設備的連線效能,本文介紹的Molex Wi-Fi雙頻天線解決方案具備體積小、效率高等優(yōu)勢,將是相關應用的最佳產品選擇之一。
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