如何為低於 GHz 的應用選擇 868 MHz 天線

Kinghelm KH-(868)-J505-JB 868 MHz 外接天線，附 SMA 連接器

Sub-GHz無線技術廣泛應用於遠端監控、工業感測器、計量和低功耗物聯網設備等領域。在這些系統中，天線在決定設備發射和接收無線電訊號的效率方面起著至關重要的作用。因此，選擇合適的天線不僅僅是匹配標稱頻率或選擇最小的可用元件那麼簡單。

對於 868 MHz 的設計，工程師需要考慮工作頻寬、可用安裝空間、天線結構、PCB 接地層以及周圍的外殼。採購團隊在批准某個組件之前，還需要核實其機械相容性、技術文件、樣品供應以及供貨需求。

本指南說明如何為 Sub-GHz 應用選擇 868 MHz 天線，內容涵蓋從定義初始設計需求到比較天線配置，再到驗證最終設備的效能。此外，它還介紹了… Kinghelm KH-(868)-J505-JB 作為產品候選產品，並使用 TE Con​​nectivity 天線作為外部參考，以實現不同的安裝方法。

1. 定義頻段和設計要求

天線選擇的第一步是確認設備的工作頻率範圍及其目標市場的無線電要求。雖然 433 MHz、470 MHz、868 MHz 和 915 MHz 天線都屬於更廣泛的 Sub-GHz 頻段，但它們是為不同的頻率範圍設計的，不能直接互換使用。

預期應用和部署區域有助於確定合適的頻段。一旦確定了頻段，就可以根據設備要求評估天線的頻寬、安裝方式和射頻性能。

不應想當然地認為額定頻率為 868 MHz 的天線也能有效覆蓋 915 MHz 頻段。即使外觀相似的天線，其諧振特性、阻抗匹配和輻射特性也可能有所不同。

在比較天線型號之前，請先記錄以下四個基本要求：

• 工作頻率： 確定無線電系統所需的完整頻率範圍，而不僅依賴標稱中心頻率。
• 安裝空間： 記錄可用 PCB 面積、禁入區域、外殼尺寸和允許的天線高度。
• 安裝配置： 確定該產品是否可安裝PCB板載天線、通孔天線或外置天線。
• 射頻性能： 確定所需的頻寬、阻抗匹配、輻射覆蓋範圍和通訊性能。

這些要求為縮小選用方案範圍提供了一個切實可行的起點。在確定了頻段和物理限制後，下一步是確定哪種天線結構最適合產品設計。

2. 比較PCB安裝式、螺旋式和外置式天線配置

不同的天線結構應對不同的整合挑戰。緊湊型PCB貼片天線可能適用於空間受限的設備，而當機械佈局允許採用不同的安裝方式時，通孔螺旋單極天線或外部天線可能更合適。

選擇設備時應基於其物理設計和射頻要求，而不僅僅是外觀。以下比較可以幫助工程師在查看各個產品規格之前，先列出初步候選名單。

如何使用此比較方法：
應將其視為縮小機械選擇範圍的一種方法，而非射頻性能的保證。若安裝效率或鏈路裕量不足，小型天線未必是最佳選擇。同樣，外接天線雖然安裝位置更靈活，但其連接器和饋線會成為射頻路徑的一部分。

陶瓷、貼片、晶片、螺旋和鞭狀散熱器這些術語並非都指同一種散熱器類型。有些指的是材料或封裝形式，而有些則指的是散熱器的結構。因此，請務必查閱製造商提供的產品文檔，以了解具體的結構和安裝說明。

PCB安裝式天線

當機箱空間緊湊且無法使用外部輻射器時，PCB貼片式天線值得考慮。然而，其標稱增益和中心頻率本身並不能預測實際安裝後的性能。 PCB佈局、接地層、匹配元件以及周圍材料可能影響諧振頻率或降低輻射效率。

請遵循製造商提供的接地佈局、接地連接和禁入區域指南。電池、金屬支架、顯示器框架、屏蔽罩和其他導電部件如果放置得離輻射部分太近，都會影響天線的性能。

有關整合方面的更多背景信息，請參閱《從設計到應用：揭秘PCB天線的核心技術》。文章《BLE穿戴裝置的貼片天線、晶片天線和PCB天線對比》也討論了緊湊型設備集成，但其BLE背景並不意味著這些天線可以與868 MHz設計互換。

螺旋磁單極子

螺旋單極子利用螺旋狀導體將單極子輻射器封裝成更緊湊的形式。通孔式設計可能更適合其焊盤佈局、接地、元件間隙和安裝高度等要求。

雖然螺旋天線可以縮短輻射器的物理長度，但實際性能取決於特定的設計和安裝條件。在更改PCB佈局之前，請務必確認確切的零件編號、封裝尺寸、接地要求和機械圖紙。

外置鞭狀天線和橡膠天線

使用外部鞭狀天線或橡膠天線可以將輻射器置於外殼外部，從而降低其與內部某些失諧源的距離。這種配置可能適用於網關、監控設備以及其他可以接受較大尺寸的產品。

在選擇外接天線之前，請檢查其工作頻率、標稱阻抗、公佈的增益、極化方式、安裝介面和饋電方式。此外，還應考慮電纜和連接器的損耗，機械支撐必須適合預期的安裝環境。

一旦確定了合適的結構，下一步就是檢查射頻設計條件，以確定天線是否能在實際設備中按預期工作。

3. 理解波長、接地平面和匹配

選擇天線結構只是選擇過程的一部分。即使是針對正確頻率設計的天線，安裝在不同的PCB板上或不同的外殼內，其性能也會有所不同。波長、接地平面設計、阻抗匹配以及周圍材料都會影響最終結果。

波長為 868 MHz

波長是理解天線尺寸的一個有用起點，但它並不能決定每個實際天線的最終物理尺寸。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。

初步估算時，可使用以下公式計算自由空間波長：

波長（λ，單位：公尺）≈ 300 ÷ 頻率（MHz）

• 在 868 MHz 時：λ ≈ 300 ÷ 868 ≈ 0.346 米，或約 346 毫米。
• 自由空間四分之一波長：λ/4 ≈ 86.4 mm。

四分之一波長估算值意味著什麼

86.4 毫米是自由空間中簡單四分之一波長單極子天線的參考長度，並非所有 868 MHz 天線的必要物理長度。螺旋天線、陶瓷天線和加載天線可以更短。電氣長度、匹配度和安裝性能比單純的機械長度更具意義。

接地層和PCB佈局

所需的接地平面配置取決於天線設計。製造商提供的參考佈局是針對特定產品的指導，並非通用的PCB尺寸。與參考佈局不同的接地平面會改變輸入阻抗和輻射方向圖。

例如，TE Con​​nectivity 的 ANT-868-HETH 產品文件中使用了 38 × 84 mm 的參考接地平面。這只是用於評估該產品的參考配置，並非所有 868 MHz 天線的 PCB 尺寸要求。

在PCB佈局過程中，工程師應該：

1. 遵循製造商的土地佈局、接地連接和禁止入內要求。
2. 根據設計規範的要求，導電物體和敏感元件應遠離輻射部分。
3. 根據建議的射頻佈局放置饋源和匹配網路。
4. 如果需要進行阻抗調整，請預留調諧元件的空間。
5. 測量組裝產品中的天線，而不是僅依靠裸露的測試板或模擬。

如需更多設計指導，請參閱《射頻天線設計：中級工程師實用指南》。

阻抗匹配與測量

50 Ω 規格描述的是標稱射頻介面阻抗，並不保證安裝後輸入阻抗一定能達到 50 Ω。天線、PCB、匹配網路和周圍材料必須被視為一個完整的射頻系統。

向量網路分析儀 (VNA) 可用於測量所需頻段內的輸入匹配。 S11 和 VSWR 有助於識別諧振偏移和匹配問題。更多詳情，請參閱“如何在 PCB 天線設計中實現 50 歐姆阻抗匹配？”。

然而，良好的S11測試結果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、天線方向、接收機環境都會影響實際效能。因此，電氣測量之後還需要在成品設備上進行驗證。

4. 評估適用於不同整合需求的 868 MHz 天線候選方案

在確定工作頻段、選擇合適的天線結構並審查射頻設計限制之後，下一步是評估特定產品。產品比較應考慮安裝方式、介面、已公佈的規格和整合要求，而不僅依賴單一參數。

这 Kinghelm KH-(868)-J505-JB 是特色產品 Kinghelm 本指南中的產品。 TE Con​​nectivity ANT-868-HETH 作為外部參考，展示了不同的天線配置。這些產品採用不同的實體結構和安裝方式，因此比較的目的是為了明確選擇要求，而不是直接對它們的性能進行排名。

如何評估 Kinghelm KH-(868)-J505-JB

这 Kinghelm KH-(868)-J505-JB 如果設備能夠容納外部橡膠天線及其 SMA 接口，則值得考慮。選擇之前，請確認連接器、安裝方式、可用空間和預期工作頻段是否符合設備要求。

其公佈的射頻規格可作為初步篩選依據，但不應將其視為在所有安裝環境中效能的保證。最終結果取決於饋電方式、周圍導電結構、天線方向和部署環境。請查閱最新的產品文檔，並在典型工作條件下評估天線效能。

使用外部參考產品

TE Con​​nectivity 的 ANT-868-HETH 代表了一種不同的整合方式：一種通孔/凸片式安裝的螺旋單極子。當 PCB 佈局設計為支援這種安裝方式且能夠滿足所需的接地平面配置時，它可能適用。

不應假定其尺寸及安裝方式與 Kinghelm 外置SMA天線。此處展示TE產品僅用於說明天線結構可能存在的差異，並非暗示兩款產品可以直接取代。

更換現有天線前需要檢查哪些方面

在評估替代天線時，工程師和採購團隊在批准變更之前應核實以下三個方面：

• 機械相容性： 連接器、安裝方式、可用空間、天線高度和間隙。
• 電氣相容性： 工作頻率範圍、標稱阻抗、饋電方式和匹配要求。
• 系統級性能： 最終裝置的匹配性、輻射性能和通訊性能。

此外，請確認目前資料表、機械圖和適用的合規資訊與所引用的零件編號完全一致。結構或接口不同的天線未經核實不得直接替換。

在候選產品通過初步規格和相容性檢查後，下一步是在完整的設備中驗證其行為，而不是僅依賴已公佈的數據。

5. 驗證最終裝置中的天線性能

已發布的規格說明有助於篩選天線，但無法完全預測安裝後的效能。金屬外殼、電池、顯示器、電纜或安裝支架都可能改變阻抗和輻射特性。因此，天線驗證應作為產品開發的一部分，而不是等到生產批准後才進行的最終檢查。

1. 電氣檢查

使用適當的射頻設定測量工作頻段、S11 和 VSWR，然後將結果與天線規格進行比較。如果諧振頻率發生偏移或匹配超出要求範圍，請檢查佈局、匹配網路和安裝條件。

2. 集成檢查

安裝最終的PCB板、接地層、外殼、電池、顯示器和主要導電部件後，重複測量。組裝後的配置才是相關的參考值，因為周圍結構會影響天線的性能。

3. 輻射和鏈路測試

評估典型方向和部署條件下的輻射性能和實際通訊鏈路。在一個方向或測試環境下表現良好的設備，在實際安裝環境中可能表現不同。

4. 生產準備

發布前，請對照產品文件確認其環境、機械和法規要求。如有必要，請商定驗收標準並保留測試結果，以備將來設計或採購變更之需。

這些檢查各有不同的目的。向量網路分析儀 (VNA) 測量用於評估輸入匹配度，輻射性能測試用於評估輻射特性，鏈路測試用於檢查典型條件下的通訊性能。它們之間不可取代。

在根據機械設計和射頻要求檢查選定的天線之後，剩下的任務是確認該產品及其供應安排是否適合該項目。

6. 868 MHz 天線最終選擇清單

在批准天線之前，請先與工程和採購團隊一起審核以下項目。這有助於確保所選零件既滿足設備的技術要求，又滿足專案的採購需求。

索取報價或樣品前需要準備的信息

準備以下資訊可以提高產品評估和供應商溝通的效率：

• 目標頻率範圍和使用區域。
• 可用的PCB和外殼空間、天線高度限制以及首選安裝方式。
• 如有需要，請提供所需的連接器或饋線介面。
• 如果這是一個更換項目，請說明當前天線型號以及評估替代方案的原因。
• 預期應用、安裝環境以及已定義的射頻或通訊測試標準。
• 所需數量、樣品發放時間、目標生產計劃和文件要求。

這些細節有助於確定候選產品在機械性能上是否合格，以及在獲得批准前需要哪些資訊或測試。最終選擇仍應基於當前的官方文件和成品設備的驗證結果。

如需了解更多信息 Kinghelm KH-(868)-J505-JB，請審查 產品頁面。 以及可用的技術文件。如果您需要討論 868 MHz 天線需求、確認產品詳情或評估其對特定應用的適用性，請造訪 聯絡我們 Kinghelm 網站。