射頻工程師不得不知的天線設計與布局技巧！

發布時間：2020-03-12                1688

天線設計和射頻布局對于在自由空間中傳輸和接收電磁輻射的無線系統至關重要。終端客戶從具有限流電源的RF產品中獲得的無線范圍（例如紐扣電池）在很大程度上取決于天線設計，外殼和良好的PCB布局。

天線設計和射頻布局

對于使用相同硅和相同功率但具有不同布局和天線設計實踐的設計，RF范圍的變化很大并不罕見。本應用筆記介紹了實踐，布局指南和天線調整程序，以便在給定功率范圍內獲得寬范圍。還探討了RF走線，電源去耦，通孔，PCB疊層，天線和接地等其他重要的一般布局考慮因素。詳細介紹了電感器和電容器等射頻無源器件的選擇。每個主題都以與該主題相關的設計項目的提示或清單結束。圖1顯示了無線系統的關鍵組件，發送器（TX）和接收器（RX）。

圖1.典型的短程無線系統

精心設計的天線可確保無線產品的工作距離。它可以從無線電傳輸的功率越大，它對于給定的分組錯誤率（PER）和接收器靈敏度所能覆蓋的距離就越大。

同樣，接收器側的調諧良好的無線電可以使用天線發生的小輻射。需要正確設計RF布局以及無線電匹配網絡，以確保無線電的大部分功率到達天線，反之亦然。

天線基礎知識

天線基本上是在太空中暴露的導體。如果導體的長度是信號1的波長的某個比率或倍數，則它變成天線。這種情況稱為“諧振”，因為饋入天線的電能被輻射到自由空間。

圖2.偶極子天線基本

偶極子Antenna Basic

通過稱為“天線饋電”的傳輸線向天線饋送天線。在這個長度上，電壓和電流駐波在導體的整個長度上形成，如圖2所示。

輸入到天線的電能以該頻率的電磁輻射的形式輻射到免費搜索空間。天線由阻抗為50Ω的天線饋電饋電，并傳輸到自由空間，具有377Ω2的阻抗。

因此，天線幾何有兩個重要的考慮因素：

1.天線長度
2.天線饋源

圖2所示的λ/2長天線稱為偶極天線。然而，印刷電路板中的大多數天線通過以特定方式具有λ/4長度導體來實現相同的性能。參見圖3.

通過在導體下方一定距離處接地，可以創建相同長度的圖像（λ/4）。當組合時，這些腿就像偶極天線一樣工作。這種類型的天線稱為四分之一波（λ/4）單極天線。PCB上的大多數天線在銅接地平面上實現為四分之一波長天線。請注意，信號現在是單端饋電，地平面充當返回路徑。

圖3.四分之一波天線

四分之一波天線

對于大多數PCB中使用的四分之一波長天線，重要的考慮因素是：

1.天線長度
2.天線飼料
3.接地平面的形狀和大小以及返回路徑

天線類型

如上一節所述，任何長度為λ/4的導體在自由空間中暴露，在地平面上有適當的饋電可以是一個有效的天線。根據波長，天線可以與汽車的FM天線或信標上的微小跡線一樣長。對于2.4-GHz應用，大多數PCB天線屬于以下類型：

1.線天線：這是一塊在自由空間中在PCB上延伸的導線，其長度在地平面上與λ/4相匹配。這通常由50Ω、4傳輸線供電。由于其尺寸和三維曝光，線天線提供好的性能和射頻范圍。導線可以是直線，螺旋，或環。這是一種三維（3D）結構，天線在PCB平面上方4-5 mm的高度，突出到太空中。

圖4.線天線

2.PCB天線：這是在PCB上繪制的跡線。根據天線類型和空間限制，這可以是直線跡，倒F型跡線，蜿蜒曲線，圓形跡線或具有擺動的曲線。在PCB天線中，天線在PCB的同一平面內成為二維（2D）結構;參見圖5.由于在自由空間中暴露的3D天線作為2D PCB走線被帶到PCB平面，因此必須遵循指南。PCB天線需要更多的PCB面積，效率低于線天線，但更便宜。它具有易于制造的特性，并且具有BLE應用可接受的無線范圍。

圖5. PCB Anten

3.芯片天線：這是一種小型IC的天線，內部有導體。當打印PCB天線或支持3D線天線的空間有限時，這非常有用。有關包含芯片天線的藍牙模塊，請參閱圖6。下圖給出了天線和模塊的尺寸與硬幣的比較。圖6.帶有芯片天線的賽普拉斯EZ BLE模塊（10 mm×10 mm）

帶有芯片天線的賽普拉斯EZ BLE模塊（10 mm×10 mm）

以上文章轉自電子發燒友論壇