射频是一种高频交流变化的电磁波，频率范围从300KHz~300GHz之间。天线是无线电设备中用来发射或接收电磁波的部件。天线的设计和选择对射频系统中的无线收发设备极其重要，一般情况下同类型天线尺寸与射频信号的频率成反比，良好的天线系统可以使通信距离达到最佳状态。
天线按照安装位置的差异可分为内置天线和外置天线两种。对于尺寸要求较高的无线设备如手机、智能手表、头显设备普遍采用内置天线，由于空间限制，内置天线的设计较复杂且成本较高。外置天线大多为标准件，根据频段不同选取适合的天线，无需调试即插即用，但性能相比内置天线略差。下面对这两类天线进行分别介绍。
1 内置天线
内置天线均受环境影响，需要定制设计或者阻抗匹配。内置天线分为 PCB板载天线、FPC天线、LDS 天线、陶瓷贴片天线等。目前选择较多的是FPC和PCB天线，LDS天线和陶瓷贴片适用于一些对空间要求较高的应用场景。
1.1 PCB 板载天线
板载天线是指设计在印刷电路板上的微带天线，常见的是倒F天线，这种天线成本低，但性能稍微差一点。倒F天线最大的优点是可以改变馈电位置，将输人阻抗调整至 50欧姆。在设计倒F天线时，天线的谐振长度L，天线的高度H及两条垂直臂之间的距离S这三个结构参数决定了天线的输入阻抗、谐振频率和阻抗带宽等性能，如图1所示。
图 1 PCB 板载倒F天线 图2 FPC天线
1.2 FPC天线
如图2所示，FPC天线即柔性电路板（Flexible Printed Circuit），相当于把PCB板上的天线线路拉出来，用其他外部的金属做天线，能做十多个频段的复杂天线，柔韧性好、性价比高。
1.3 LDS天线
LDS 天线即激光直接成型技术（Laser Direct Structuring），通过激光把天线图像雕刻出来，可通过喷徐配色，可充分利用天线空间，缩小天线体积，但成本较高，在手机等小型电子产品中应用广泛。
1.4 贴片陶瓷天线
贴片陶瓷天线就是通过一根天线电极将天线与地之间形成的高频电场变成电磁波，从而能发射出去并传波到远方。贴片天线具备小型，高性能、支持多频带的特点，有效提高了主板的整合度，适用自动贴装及回流焊的简洁产品设计。
2外置天线
外置天线根据辐射场角度的差异可分为全向天线和定向天线两种。全向天线即在水平方向图上表现为全方向均匀辐射，而定向天线是指只在某个特定方向上发射和接收电磁波特别强。定向接收天线的主要目的是增强信号强度及抗干扰能力。全向天线分为吸盘天线、胶棒天线和玻璃钢天线，定向天线包括平板天线、八木天线、对数周期天线等。
2.1 吸盘天线
吸盘天线包括鞭状螺杆吸盘和铜棒吸盘天线，带有强磁吸盘，安装固定方便，广泛应用于无线通讯模块，如快递柜、自动售卖机、智能超表机等，如图3所示。铜棒吸盘天线采用直径较大的纯铜辐射体，天线效率高、带宽覆盖宽、增益更高，适合性能要求高的远距离传输。
图3吸盘天线 图4胶棒天线
2.2 胶棒天线
如图4所示，胶棒天线增益适中、价格相对低廉，常用在无线通讯模块、无线路由、数传电台等。通常情况下，天线尺寸与增益有关，同频段长度越长增益越高。
2.3 玻璃钢天线
在全向天线中，玻璃钢天线性能表现最为出色。其内芯为纯铜振子，外壳采用优质玻璃钢，对恶劣的自然环境适应好，特别适合超远距离网关信号覆盖，图像传输等。
2.4 平板天线
平板天线是一种定向天线，兼顾增益和辐射区域，抗干扰能力强，适用室内、隧道内无线信号覆盖，中等距离信号传输、图像传输及信号穿墙等。
2.5 八木天线
八木天线增益极高、体积大，安装时需注意方向性，可用于超远距离信号传输、图像传输等。
3性能测试
基于轮胎转鼓试验机开展轮胎动态通讯距离测试研究，示意图如图5所示，在轮胎内部安装传感器作为发射机，轮胎外部设置接收机。更换接收机的天线测试其最远通讯距离，轮胎1m外的径向上设置多个测点，并分别在地面上做标识。选取吸盘天线、胶棒天线、FPC天线分别进行测试，天线通讯频率为433MHz。
图5 测试示意图 图6 测试现场
轮胎以稳态工况下运行，为了更好地评价接收效果，接收器通过串口与上位机连接并打印出来，测试现场如图6所示。选取1min内数据接收率作为评价指标，设置发射机发包时间为2s，理论上1min应接收到30包，若达到90%的接收率即27包，认为天线在该距离内能正常通讯。各天线测试结果见表1所示。
表1 不同天线通讯距离测试结果
测试结果表明，相同增益不同类型天线，动态通讯距离吸盘天线优于胶棒天线和FPC天线。两种吸盘天线增益差别很大，但动态通讯距离差别很小，可能与天线接收高度有关[1]，因为提高天线增益，覆盖的距离增大，但同时会压窄波束宽度，导致覆盖的均匀性变差。
4 结论
本文通过对射频天线进行了简单分类介绍，通过轮胎转鼓试验验证了天线的通讯距离测试。结果表明，相同增益天线吸盘天线性能最优，天线增益对通讯距离有提升，但覆盖均匀性变差。测试结果为后续天线性能改善及选取提供了重要的技术支持。
参考文献：
[1]唐政权,杨磊,周雯.基于433 MHz LoRa信号的森林传播特性研究[J].林业工程学报,2022,7(05):156-160. DOI:10.13360/j.issn.2096-1359.202111035.
作者简介：潘登，男，1990年出生，硕士研究生，主要从事智能轮胎系统开发工作。
