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金属导体对天线性能的影响

作者:广州寒武纪电子 浏览: 发表时间:2021-10-30 15:34:36

      有过内置天线无线通信设计开发经验的朋友都知道金属导体对天线性能的影响是非常大的,那么金属导体的影响究竟有多大?我们应该如何避免金属导体对天线的影响?今天来谈谈这个问题。



     金属导体对天线的影响分为三个部分,第一部分是对天线自身阻抗的改变,第二部分是对天线附近电磁波能量的吸收,第三部分是金属对电磁波信号的屏蔽。


     对于第一部分的影响,我们之前讲过天线附近的环境介质发生改变都会改变天线的阻抗,而金属导体作为对天线影响最大的一种材质,在这方面的影响自然是非常大的。在天线与金属或者绝缘材料保持相同距离的情况下,金属让天线阻抗发生频偏的频率远远大于绝缘体对天线的影响,这会导致天线自身的发射和接收能力大大下降。因此如果天线附近有金属导体,天线的阻抗匹配是非常关键的。


     第二部分的影响是金属对天线辐射出来的信号的吸收作用,这个影响在接地金属导体和大块大面积的金属导体上表现最为明显。这一部分影响的原理是天线将电磁波辐射出天线后或接收电磁波进天线之前,金属就吸收掉空气中的一部分能量,从而降低了整个通信系统的能量转化效率,从而影响了通信效果。从原理上可以看出,这一部分金属的影响,并不是直接改变了天线的能力,而是在外部直接消耗了空气中的电磁波能量来影响了通信效果。因此这一部分的影响是无法直接通过调试改进天线解决的。减小这一部分的方法只能是将天线与金属的距离加大,增加距离可以有效减少金属吸收掉的电磁波对通信效果的影响。


     第三部分影响的原理是电磁波无法穿透金属导体,因此金属导体一侧会屏蔽掉天线的信号将部分电磁波反射到其他方向去,如果金属导体很小,电磁波一般可以绕过导体,但是如果相对天线来说金属导体非常大,那么这个屏蔽信号影响就会很大了,它会直接屏蔽自己所在方向的信号。因此跟第二部分的影响类似,我们也应该将导体远离天线,这样其可以屏蔽的方向角度就会变小,电磁波更容易绕过这部分的导体影响。


     从上面的分析可以看出来,当天线靠近金属导体时,天线受到的影响是非常大的,而且也是多方面的。针对天线做阻抗匹配调试优化,可以改善第一部分的影响,但是对于第二部分和第三部分的影响却没有任何帮助。因此当天线放置靠近导体受到导体影响降低性能的时候,想要只靠调试天线匹配来解决很多时候是做不到的。只有匹配调试和增加天线与导体的距离相结合,才能真正解决这种问题。



     在实际应用中,当我们设计开发无线通信产品时,一定要事先规划好天线的摆放位置和形态,提前将天线附近的金属移走。这里的金属不光是金属外壳,还包括了屏幕、电池等内部带有金属的大面积大尺寸部品,以及PCB电路板上的铺地、走线、元器件等金属导体部分。如果实在无法移走金属导体,那一定要想办法增加天线与导体之间的间距,一般建议电路板上的铺地走线距离天线保持3mm以上的间距,大面积的金属结构距离天线保持1-2cm以上的间距(金属越大需要避让越远)。同时在产品出来后一定要做好天线阻抗匹配调试。这样可以最大程度上降低导体对天线性能的影响。


     需要说明的是,如果有金属螺丝非常靠近天线,由于螺丝较小,其影响是有限的,只需要我们在设计的时候螺丝孔和螺丝不要跟PCB接地,那么这个影响对于天线来说是相对可控的。


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