868 MHz 天線選擇：PCB 安裝螺旋天線、鞭狀天線和亞GHz天線設計

為 868 MHz 無線設備選擇天線不僅僅是匹配標稱工作頻率那麼簡單。工程師還必須考慮區域頻率規劃、可用接地平面、安裝方式、外殼材料、輻射方向圖以及應用所需的射頻性能。這些因素對於 LoRaWAN、LPWAN、遠端監控、智慧計量和其他 Sub-GHz 無線系統尤其重要。

本指南闡述如何評估適用於 868 MHz 應用的 PCB 安裝天線、螺旋單極子天線和外部鞭狀天線。此外，本指南還介紹了實用的波長和接地平面計算方法，並對代表性天線進行了比較。 Kinghelm 針對採用 TE Con​​nectivity ANT-868-HETH 的產品，概述了生產前所需的射頻驗證步驟。

1. 確認工作頻段和應用需求

在選擇天線之前，請確認設備實際使用的頻率範圍以及目標市場適用的相關法規。 433 MHz、470 MHz、868 MHz 和 915 MHz 是常用的 Sub-GHz 頻段，但它們並非可以互換。不同地區的頻段分配、允許的發射功率、佔空比限制和通道規劃各不相同。

針對 868 MHz 頻段設計的天線不能想當然地認為它在 915 MHz 頻段也能表現良好。即使兩款產品外觀相似，它們的諧振頻率、匹配網路和輻射特性也可能有顯著差異。

對於新的設計方案，在篩選天線候選方案之前，請記錄以下要求：

• 工作頻率： 請指定實際頻率範圍，而不僅僅是標稱中心頻率。
• 無線電技術： 確定應用是否使用 LoRaWAN、其他 LPWAN 協定、遙測技術或專有的 Sub-GHz 連結。
• 可用空間： 記錄PCB尺寸、間隙區域、外殼尺寸和允許的天線高度。
• 安裝方式： 確定設計中是否需要PCB安裝元件、通孔天線或外部天線。
• 射頻目標： 定義可接受的阻抗匹配、效率、輻射覆蓋範圍和通訊範圍。
• 環境要求： 考慮溫度、濕度、振動以及預期的安裝環境。

緊湊型天線可以簡化機械集成，但尺寸本身並不能決定係統性能。天線必須與整個設備協同工作，包括接地平面、外殼、電池、電纜以及附近的電子元件。

2. 比較PCB安裝式、螺旋式和外置式天線配置

不同的天線結構針對不同的機械和射頻限制。 PCB安裝式陶瓷天線有助於節省空間，而螺旋單極天線則提供了緊湊的單極輻射器實現方案。外部鞭狀天線或橡膠天線可以將輻射元件遠離部分電子元件，並且在位置定位方面可能更靈活。

適用於空間受限設備的PCB安裝天線

當產品外殼尺寸較小且不希望使用外部輻射元件時，PCB貼片式天線不失為一個實用的選擇。然而，天線的標稱增益或中心頻率並不能完全反映其安裝後的性能。 PCB佈局、接地層、匹配元件以及周圍材料都會影響諧振頻率，進而影響輻射效率。

評估PCB安裝式天線時，請遵循製造商建議的佈局和隔離要求。除非已在此配置下評估設計，否則請勿將電池、金屬支架、顯示器框架、屏蔽罩或其他導電結構放置在距離輻射元件過近的位置。

關於PCB天線整合的更多背景信息，請參閱《BLE穿戴裝置的貼片天線、晶片天線和PCB天線對比》。雖然這篇文章著重於可穿戴設備的集成，但其佈局和間距原則對於規劃緊湊型天線設計也同樣適用。

用於緊湊型亞GHz設計的螺旋單極子

螺旋單極子天線採用導電線圈結構，可實現緊湊的天線設計。當PCB和機械設計​​能夠滿足元件的安裝方式和間隙要求時，通孔式螺旋單極子天線則非常適用。

不要想當然地認為所有螺旋天線在電氣或機械方面都可互換。通孔式和表面貼裝式天線在尺寸、安裝要求和特定設備中的性能可能有所不同。在修改PCB之前，請務必確認確切的零件編號及其製造商圖面。

外置鞭狀天線和橡膠天線

當機殼允許將天線放置在遠離主要射頻失諧源的位置時，外接天線會非常有用。此方案可能適用於閘道器、監控設備以及可接受較大天線尺寸的設備。

檢查天線的額定頻率、阻抗、增益規格、極化方式、安裝介面以及電纜或饋電方式（如適用）。最終安裝還應評估其在預期工作環境下的機械耐久性和射頻性能。

3. 應用波長和接地板原理

波長是理解天線尺寸的一個有用起點。但它本身並不能決定實際天線的最終物理尺寸，因為負載、線圈幾何形狀、介質材料、附近的導體以及匹配網路都會影響天線的設計。

計算 868 MHz 頻率下的波長

初步估算可使用以下公式：

波長（λ，單位：公尺）≈ 300 ÷ 頻率（MHz）

在 868 MHz 頻率：

• 波長：λ ≈ 300 ÷ 868 ≈ 0.346 米，約 346 毫米。
• 四分之一波長：λ/4 ≈ 86.4 mm。

四分之一波長結果是自由空間中簡單單極天線的理論參考值。實際天線的物理長度可能更短，或透過加載和調諧進行其他配置。其有效電長度和性能取決於天線的結構和安裝方式。

地平面為何重要

單極天線與其接地結構協同工作。 PCB接地層、安裝方式以及附近的導電元件都會影響電流分佈和輻射方向圖。與製造商參考設定不同的接地層會改變阻抗匹配和實際性能。

例如，TE Con​​nectivity ANT-868-HETH 產品資訊在其天線文件中指出，其接地平面尺寸為 38 × 84 mm。這應被視為評估的參考配置，而非所有 868 MHz 天線的通用 PCB 尺寸要求。

在設計PCB佈局時，請考慮以下實際步驟：

1. 遵循天線製造商建議的場地佈置方案、接地連接和禁入區域。
2. 根據設計指南的要求，將導電物體和敏感元件遠離輻射部分。
3. 根據建議的射頻佈局放置天線饋源和匹配網路。
4. 如果設計過程需要阻抗調整，請預留調諧元件的空間。
5. 測量組裝產品中的天線，而不是僅依靠計算或裸PCB模擬。

有關更詳細的設計考慮，請參閱《射頻天線設計：中級工程師實用指南》。

匹配與測量

50 Ω 阻抗規格是一個有用的介面參考值，但它並不能保證天線在最終產品中安裝後會呈現 50 Ω 的負載。天線和 PCB 共同構成射頻系統。

使用向量網路分析儀 (VNA) 評估所需工作頻段內的輸入匹配。 S11 和 VSWR 測量有助於識別諧振偏移和匹配問題。在條件允許的情況下，還應評估總輻射效率、輻射方向圖和空中通訊性能。

良好的S11信噪比並不能保證高輻射效率或預期的通訊距離。傳導損耗、介質損耗、外殼效應、天線方向以及接收機環境都會影響實際結果。

4。 相比 Kinghelm 868 MHz 產品搭配 TE ANT-868-HETH

比較產品時，應區分電氣規格和機械相容性。緊湊型PCB貼片天線、外接橡膠天線和通孔螺旋單極天線都可用於Sub-GHz頻段的設計，但它們滿足不同的整合要求。

代表 Kinghelm 產品

重要提示：以上數值為製造商提供的產品規格，並非受控的、相同條件下的性能比較。除非測量定義和測試條件相同，否則增益數據不應直接解讀為等效。最終設計必須在其預期的PCB、外殼和安裝環境中進行評估。

如何解讀比較結果

KH-10032-A83 是一款緊湊型 PCB 安裝式天線，其中心頻率為 868 MHz，頻寬為 10 MHz。如果設計優先考慮天線尺寸小巧，且滿足所需的頻段要求並遵循製造商的佈局指南，則該天線值得考慮。

KH-(868)-J505-JB 是一支橡膠天線，標稱頻率為 868 MHz，阻抗為 50 Ω，增益為 2.0 dBi。它採用了與 PCB 板載陶瓷天線不同的整合方式，當產品的機械設計允許安裝外部或獨立安裝的天線時，可以考慮使用這款天線。

TE ANT-868-HETH 是一款通孔螺旋單極天線，製造商標稱的工作頻率範圍為 862–870 MHz。其安裝方式和電氣特性應根據目標產品的實際要求進行評估。

這些 Kinghelm 未經驗證，不應將產品描述為TE ANT-868-HETH的直接替代品。安裝方式、接地層互動、匹配、機械間隙和射頻性能方面的差異可能需要對PCB或外殼進行更改。在批准產品投入生產之前，請務必確認所選產品的確切尺寸、介面和合規性文件。

5. 驗證最終裝置的射頻性能

即使是規格正確的天線，整合後性能也可能會改變。金屬外殼、電池、顯示器、電纜、安裝支架或附近的電路都可能改變天線的阻抗和輻射特性。因此，天線驗證應成為產品開發流程的一部分，而不是最終的採購審核。

推薦驗證清單

• 頻率範圍： 確認天線覆蓋所有必需頻道和適用的區域頻段。
• 阻抗匹配： 使用適當的射頻測試裝置，在工作範圍內測量 S11 或 VSWR。
• 輻射效率： 在測試資源允許的情況下，對具有代表性的組裝設備進行輻射性能評估。
• 方向： 評估天線的預期方向以及產品在使用過程中的預期位置。
• 地平面效應： 將最終的PCB佈局與製造商建議或參考配置進行比較。
• 封閉環境的影響： 測試時需安裝最終外殼、電池、顯示器及主要導電部件。
• 溝通表現： 在代表性的工作條件下測試實際無線電鏈路，而不僅依靠天線增益。
• 環境適宜性： 根據產品文件核對溫度、濕度、振動和機械需求。
• 合規性： 確認成品設備符合目標市場的相關無線電和產品要求。

如果產品用於 LoRaWAN 或其他遠距離無線應用，則測試應反映實際部署環境。安裝高度、天線方向、障礙物、幹擾以及接收天線都可能影響連結性能。

對於PCB貼片式設計，如果初始射頻測量表明需要調諧，則應預留足夠的空間進行匹配網路調整。任何元件變更都應記錄在案，並在具有生產代表性的硬體上進行驗證。

6. 做出明智的亞GHz設計與採購決策

選擇合適的Sub-GHz天線首先要確定目標頻段，然後進行機械整合、射頻驗證和採購評估。最小的天線可能不是最佳選擇，而更高的增益值也不一定保證在所有產品中都具有更好的性能。

對於緊湊型設備，如果其標稱頻率範圍和佈局要求與設計相符，則可考慮使用KH-10032-A83等PCB貼片式天線進行評估。如果獨立安裝的天線更合適，則KH-(868)-J505-JB提供了另一種可供選擇的方案。對於需要通孔螺旋單極天線的設計，TE ANT-868-HETH提供了廠商提供的參考資料，可用於評估此配置。

在最終確定物料清單之前，請確認特定型號、工作頻段、機械圖、阻抗、增益測量條件、安裝介面以及相關的合規資訊。如果更換現有天線，則應在實際設備上測試機械配合和射頻性能，而不僅依賴標稱頻率。

Kinghelm的天線產品組合涵蓋了滿足不同無線整合需求的各種產品。工程師和採購團隊可以查看已發布的產品規格，並在選擇產品進行生產之前確認是否適合預期應用。

如需更多天線整合的指導，請閱讀《如何選擇藍牙天線？從貼片天線到陶瓷天線》。雖然該文章主要關注藍牙，但也提供了有關如何將天線結構與可用產品空間和整合限制相匹配的更多背景資訊。

參考

1. TE Con​​nectivity， ANT-868-HETH 產品頁面.
2. TE Con​​nectivity， 天線目錄.
3. Kinghelm, 天線產品列表.
4. Kinghelm, 橡膠天線產品列表.
5. Kinghelm, 射頻天線設計：中級工程師實用指南.
6. Kinghelm, 用於 BLE 穿戴式裝置的貼片式、晶片式和 PCB 天線對比.
7. Kinghelm, 如何選擇藍牙天線？從貼片式到陶瓷式.