如何在一个设计中放置两个或更多天线

文章：Geoff Schulteis

在设计中放置天线总是需要小心，但当设计中有两个或更多天线时，更重要的是了解这些天线如何辐射，它们如何一起工作，以及它们的相对位置将如何影响信号。

通常，SMD天线被设计成与其他组件附近共存，提供了一些基本规则。

建议是将天线远离其他嘈杂的组件，并允许天线下方的接地平面，以便有效地辐射。在整个PCB堆叠中保持天线以下的空间非常重要。

要设计一个内部有几个不同天线的设备，您将想知道多个天线如何共存，并在PCB上的一个单一系统中执行。要求各种无线电系统的天线彼此接近的要求被称为“设备内共存”。

在某些情况下，在分集配置中，两个天线在相同的频率上一起工作，这将提供比单独一个天线更强的传输。在其他情况下，一个设备需要在不同频率上运行不止一个无线连接，设计应该允许这些连接之间有一定的分离，使它们能够在“共存”中独立运行。

通过良好的设计，可以实现板上所有天线的高性能和可靠性。设计师的目标是将天线放置在一种能够在所有天线之间实现隔离的方式，并允许它们在一起正确地工作。

辐射模式

每个天线都有自己的辐射模式，这将显示在制造商的数据表上，因为天线将在完美的条件下辐射，例如在一个消声室。

辐射图样通常显示为三维图样和二维图样的横截面。天线将围绕沿着天线长度的一个轴辐射，并且来自天线的电能在垂直于该轴的方向反射最强。这是天线的极化。

天线的辐射模式通常在要使用天线的频带的中心测量。

图1所示。用于1990兆赫兹LTE天线的3D天线模式。(来源:Antenova)

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图2. 1990MHz的相同LTE天线的天线图案，横截面。(来源:Antenova)

多样性对

多样性是一种天线技术，其中两个天线在相同的频率上一起使用，以产生更可靠的无线连接。对于在自由空间中移动的移动无线设备是一种很好的解决方案，因为在串联中加上的两个天线更有可能提供随机移动时的可靠链接。

具有多样性，第一天线是主要天线，第二天线是多样性天线。两个天线可以共享相同的接地平面，并且它们被放置在不同的空间区域中，这减少了“耦合” - 两个天线反映类似信号的现象。

在分集配置中，两个天线同时发射，但指向不同的方向。然后接收机将取两个信号中较强的一个，这将提高接收信号的可靠性。这对天线可以放置在PCB的相反角落或相反的侧面。

当天线以分集配置使用时，它们被放置以减少耦合 - 即，放置两个天线，使得它们的辐射图案彼此完全不同。

两极分化

天线的偏振平行于天线的长轴，并且天线垂直于该轴辐射其能量，在天线的每个端部处具有空功率的区域。

为了获得最佳的互相关，分集天线对应该放置在交叉极化，在空间和极性上的不同极化。接收器将从其中一个或另一个天线接收最强的信号。这实现了比单天线更强的接收。在实践中，这通常意味着这两个天线将被放置在彼此90°，实现不同的极化，并在设备移动时向接收器发送更可靠的信号。

降低耦合效应

天线到天线耦合是紧凑件的自然发生。这降低了辐射图案并增加每个天线遭受的交叉沟道干扰。它还改变了天线的输入特性。您可以通过蚀刻在地面平面上最小化耦合效果。

天线之间的距离

两个分集天线之间的距离应为波长的至少四分之一，并且它们之间的距离将影响信号。

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图3：示例 - 图显示了从主天线到分集天线的隔离与距离。显示40mm，25mm和20mm以进行比较。此示例显示了Antenova的Integra天线SR4L049。(来源:Antenova)

在不同频率下隔离天线

应放置在不同频率上运行的天线，以便它们不会互相干扰。在天线术语中，他们需要彼此电隔离。目标是放置每个天线，使其实现高性能，但隔离可以减小天线的辐射功率。使用网络分析仪作为S21测量隔离值。

有许多方法可以改善天线之间的隔离。只要考虑到天线的辐射模式，将它们放置得更远，就会产生一些分离，这将会有所帮助。

放置天线，使每对天线之间有隔离，将有助于它们独立辐射，但会在一定程度上降低每对天线的发射功率。

下一个选择是使用一个滤波器来降低一个天线的频率效率，而另一个天线需要这个频率。

图4。波束控制是一种在分集应用中提高隔离和互相关的天线技术。(来源:Antenova)

ECC（包络相关系数）

为了验证MIMO天线系统的隔离能力，ECC是MIMO天线系统中需要研究的重要性能指标。ECC可以根据天线系统的S参数或远场特性计算。基于远场参数的ECC考虑MIMO天线系统中各天线的辐射波束方向，而基于S参数的ECC考虑两天线的端口特性。

在隔离分析中，基于远场特性的ECC被认为更准确，尽管由于需要测量天线的辐射模式而更加困难。对于MIMO天线系统，一般认为ECC值小于0.5是可以接受的。

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辐射与返回损耗
图5:这幅图像显示了两个平行的直角天线的辐射图，以及第二个配置如何显示出更一致的信号。(来源:Antenova)

结论

许多移动设备使用多个无线连接。它们可以是任何4G/LTE、MIMO/WLAN、蓝牙或GNSS定位天线的组合，而且在一个设计中可以很容易地有5或6个天线——例如用于LTE/4G的多样性天线提供蜂窝连接，用于蓝牙的Wi-Fi天线，以及用于定位的GNSS天线。在这种情况下，目标是让所有的天线在多系统环境中肩并肩地工作，但彼此不相互干扰。如果不考虑共存，很可能是强大的LTE/4G信号会阻挡较小天线(如小型Wi-Fi天线)发出的信号。

使用多个天线设计PCB并不直接。本文突出显示影响天线及其RF信号行为的因素，并且应该在PCB的布局中考虑。为了确保这些组件全部正常工作，应将PCB发送在一个AneChice室中的过空中测试。它将突出显示设计所需的任何修改，并展示天线如何行事并预测设备的真实性能。

这篇文章最初发表于嵌入式．

Geoff Schulteis是高级天线应用工程师Antenova Ltd.．Geoff在设计，整合和测试天线拥有20多年的经验，目前他目前负责在北美的Antenova客户提供技术支持。他是一个天线工程专业专业专业，拥有20多年的经验，通过制造和商业部署，从研发的消费产品集成和测试天线系统。