天线对无线模块通信距离的影响

1.前言

随着无线数据传输的高速发展,无线模块的应用也越来越广泛。无线模块被广泛的应用于遥控、无线抄表、身份识别、电子价签、生物信号采集等领域中,因而对无线模块的通信距离也提出了更高的要求。

无线模块传输距离主要受功率、接收灵敏度、天线等因素的影响。本文主要从天线的指标、分类两个方面讨论天线对无线模块通信距离的影响。

2.天线

天线是一种变换器,它把传输线上传播的导行波,变换成在无界媒介(通常是自由空间)中传播的电磁波,或者进行相反的变换。在无线通信设备中用来发射或接收电磁波的部件。无线电通信、广播、电视、雷达、导航、电子对抗、遥感、射电天文等工程系统,凡是利用电磁波来传递信息的,都依靠天线来进行工作。此外,一般天线都具有可逆性,即同一副天线既可用作发射天线,也可用作接收天线。同一天线作为发射或接收的基本特性参数是相同的。这就是天线的互易定理。

3.天线的指标

天线的指标主要有频段范围、频带宽度、增益、极化、阻抗、驻波比、前后比等。

以阻抗来说,通常天线做成标准的50Ω,无线模块的阻抗也是按照50Ω设计的,这样天线与无线模块之间的阻抗就更加匹配传输的效率也就越高。从理论上来说模块与天线的匹配程度越高则通信距离越容易得到保证。

天线增益是指:在输入功率相等的条件下,实际天线与理想的辐射单元在空间同一点处所产生的信号的功率密度之比。它定量地描述一个天线把输入功率集中辐射的程度。比如一个输出功率为20dBm的模块通过增益为3dBi的天线发射,其发射的总能量既模块功率与天线增益之和,理论得出模块发送出的总能量越大则模块传输的距离越远。

天线极化是描述天线辐射电磁波矢量空间指向的参数。由于电场与磁场有恒定的关系,故一般都以电场矢量的空间指向作为天线辐射电磁波的极化方向。常说的极化方向有垂直极化与水平极化,因为垂直极化方式则不易产生极化电流,从而避免了能量的大幅衰减,保证了信号的有效传播与传输距离,所以在无线通信系统中,一般均采用垂直极化的传播方式。

驻波比全称为电压驻波比,又名VSWRSWR,为英文Voltage StandingWave Ratio的简写。指驻波波腹电压与波谷电压幅度之比,又称为驻波系数、驻波比。当驻波比等于1时,表示馈线和天线的阻抗完全匹配,此时高频能量全部被天线辐射出去,没有能量的反射损耗;驻波比为无穷大时,表示全反射,能量完全没有辐射出去。由此可以看出天线的驻波比与模块的驻波比越接近1越好,以此才能保证输出的功率及通信距离。

4.不同分类的天线对通信距离的影响

天线的分类形式有很多,为方便讨论本文主要将天线按照封装形式分:大致分为柔性(FPC)软天线、板载PCB天线、胶棒天线、吸盘天线等。本次对比使用的天线为成都亿佰特出售的TX433-NP-4310TX433-JK-20TX433-XP-100天线。天线的详细参数请直接访问:https://shop34783602.taobao.com

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1中的柔性(FPC)软天线具有可弯折,体积小等特点,但是也可以看到其增益为2dBi增益较低因此其通信距离也会收到影响。

2中为可弯折的胶棒天线其为全向天线角度广,增益为3dBi,其驻波比为1.3,因此其通信距离较使用柔性软天线的通信距离更远些。

3中为吸盘天线,使用时需要将天线放置于较大的铁平面上,如汽车车顶等。该天线具有增益高,角度广等特点。因此其通信距离较胶棒天线有更有的性能,但是其安装环境受一定限制没有胶棒,柔性天线灵活。

5.总结

影响无线模块的通信距离有很多的因素,天线只是其中的一种,我们想通过优化天线达到更好的通信效果那么对于天线的选择就应该与模块的匹配达到最佳的,但这也不是绝对的,我们在实际的应用中也可能会出现性能稍差的天线通信距离可能更远因此天线的选择也应该灵活的、适用的。