用于300MHz至450MHz發(fā)射器的小型天線

本應(yīng)用筆記詳細(xì)介紹了當(dāng)今手持式發(fā)射器應(yīng)用中使用的各種天線，例如遙控?zé)o鑰匙進(jìn)入（RKE）系統(tǒng)、胎壓監(jiān)測(cè)器（TPM）、車庫開門器、家庭安全傳感器，甚至電視遙控器。本應(yīng)用筆記討論了環(huán)形/鞭狀天線、凸起條形天線/“回形針”天線、傳統(tǒng)鞭狀天線、螺旋天線和貼片天線，并介紹了將其與Maxim發(fā)送器匹配的網(wǎng)絡(luò)。

介紹

用于遙控?zé)o鑰匙進(jìn)入 （RKE）、胎壓監(jiān)測(cè)器 （TPM）、車庫開門器、家庭安全傳感器和電視遙控器的發(fā)射器天線需要安裝在非常小的封裝中。正因?yàn)槿绱耍@些應(yīng)用中使用的幾乎所有天線都是電短的（即，尺寸為0.1波長(zhǎng)或更短）。本應(yīng)用筆記描述了這些天線是如何形成的，并給出了其阻抗的估計(jì)值。

天線類型

印刷電路板環(huán)路或鞭狀天線

印刷電路板環(huán)路或鞭狀天線是印刷電路板 （PCB） 上的圓形、橢圓形、方形或矩形走線。假設(shè)應(yīng)用使用雙面PCB，則天線下方PCB的另一側(cè)應(yīng)該是裸露的。天線下方不應(yīng)放置接地層或其他走線。

輸入（也稱為天線走線的“驅(qū)動(dòng)”或“饋電點(diǎn)”端）直接或通過匹配網(wǎng)絡(luò)連接到功率放大器（PA）。匹配網(wǎng)絡(luò)中的元件位于PCB另一側(cè)的接地層上方。通常在驅(qū)動(dòng)端，PCB另一側(cè)的接地層端端，使得印刷天線下方的區(qū)域是裸露的。印刷天線的另一端連接到接地層。這通常是通過在PCB頂層的大面積結(jié)束走線來完成的，該P(yáng)CB頂層通過過孔連接到下面的接地層。但是，也可以通過將天線的末端直接連接到下方的接地層來完成。

如果天線的另一端打開，天線將變成鞭狀天線或單極天線。鞭子可以通過運(yùn)行直線或圓形、橢圓形、正方形或矩形的一部分的走線在 PCB 上打印。圖1是PCB環(huán)形/鞭狀天線的示意圖。

圖1.PCB 環(huán)路或鞭狀天線。

多功能天線是一個(gè)環(huán)路，它不以接地短路結(jié)束，而是以可以打開或短路接地的焊盤/連接結(jié)束。焊盤可以裝有電感器或電容器，以幫助天線進(jìn)行適當(dāng)?shù)念l率調(diào)諧。

具有手持式發(fā)射器典型尺寸（每側(cè)2cm至5cm）的小環(huán)路具有30nH至100nH的電感和幾歐姆的等效串聯(lián)電阻。理論上，串聯(lián)電阻小于10歐姆，但電路板損耗、任何蓋子的介電損耗、與其他電路元件的耦合以及測(cè)量容差都可能導(dǎo)致電阻部分使用網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量高達(dá)<>Ω。

具有手持式發(fā)射器典型尺寸的小鞭子具有1pF至5pF的電容和幾歐姆的等效串聯(lián)電阻。小鞭子的理論串聯(lián)電阻大約是相同尺寸的小環(huán)路的串聯(lián)電阻的10倍，但它仍然很小，實(shí)際測(cè)量的電阻與環(huán)形天線大致相同。

雖然印刷天線可以節(jié)省資金，但使用它們的缺點(diǎn)是它們的特性取決于電路板材料和走線的制造公差。表面貼裝天線具有更可重復(fù)的特性，當(dāng)天線設(shè)計(jì)的一致性很重要時(shí)，應(yīng)考慮它們。

凸起條形或“回形針”天線

凸起條形或回形針天線（如圖 2 所示）與印刷環(huán)形天線或鞭狀天線非常相似。通常，它是連接到PCB的外部電線或扁平金屬條，上升幾毫米，然后遵循與印刷天線相同的輪廓。這種類型的一個(gè)小優(yōu)點(diǎn)是天線與PCB上的其他組件略有距離。天線的遠(yuǎn)端可以保持浮動(dòng)，由非導(dǎo)電支架支撐，或向下彎曲并連接到PCB。一旦進(jìn)入PCB，它可以進(jìn)入一個(gè)焊盤，該焊盤可以填充以連接到接地層，保持打開，或通過電感器或電容器等無源元件連接到地。

圖2.凸起條形天線。

凸起條形天線的阻抗與印刷天線的阻抗非常相似。

傳統(tǒng)鞭狀天線

一些手持設(shè)備在另一個(gè)方向上有空間用于傳統(tǒng)的鞭狀天線或“短截線”天線。這通常是2厘米到5厘米的電線，有時(shí)用保護(hù)性介電材料覆蓋。它可以是帶有性能數(shù)據(jù)的現(xiàn)成 （OTS） 天線，也可以是“自己動(dòng)手”的金屬片。OTS天線比某些PCB天線具有更多的可重復(fù)阻抗特性，這可能是因?yàn)檫@些天線經(jīng)歷更多的內(nèi)部損耗，使其電阻更大。一些較大的OTS天線可能具有接近50Ω的阻抗，沒有電抗（電容或電感）。它們還可能具有一個(gè)內(nèi)部電感器，可以調(diào)諧電容。圖 3 顯示了兩個(gè)獨(dú)立的鞭狀天線。

圖3.獨(dú)立的鞭狀天線。（圖片由Antenna Factor提供。

螺旋天線

螺旋天線看起來非常像厚厚的鞭狀天線。它通常是長(zhǎng)度為2cm至5cm的細(xì)線線圈，其示例如圖4所示。許多用戶為自己的應(yīng)用纏繞自己的線圈。還有螺旋天線的OTS版本。這些螺旋天線中的大多數(shù)具有20Ω至50Ω實(shí)數(shù)阻抗和幾乎0Ω虛數(shù)阻抗（即沒有電容或電感）。這些值的基本原理是繞組的電感抵消了鞭狀天線的固有電容。螺旋天線很容易匹配，但它們的輻射并不比其他相同尺寸的天線好。

圖4.螺旋天線。（圖片由天線因素提供。

貼片天線

貼片天線很少在300MHz至450MHz中使用，因?yàn)檫@些天線的傳統(tǒng)尺寸通常是波長(zhǎng)的四分之一。與其他PCB天線不同，貼片天線在PCB的另一側(cè)有一個(gè)接地層。小貼片天線的阻抗類似于鞭子的阻抗，因?yàn)樘炀€的非驅(qū)動(dòng)端是開放的，形成電容。小型貼片天線的阻抗看起來像具有小串聯(lián)電阻的1pF至5pF電容器。

Maxim變送器的通用匹配網(wǎng)絡(luò)

圖5顯示了將Maxim發(fā)送器與上述任何天線匹配的良好網(wǎng)絡(luò)。分配的焊盤可以由電感器或電容器填充，具體取決于所需的天線類型。串聯(lián)元件E6或并聯(lián)元件E5可用于調(diào)出部分或全部電抗并改變天線的等效電阻。元件E3、E4和E5通常用于形成pi網(wǎng)絡(luò)低通濾波器（LPF），以抑制PA輸出的高次諧波。如果將 E5 用作天線的調(diào)諧元件，則其值可以與 pi 網(wǎng)絡(luò) LPF 所需的值組合。需要電感（L1）將RF與直流電源隔離，需要電容（C1）來提供直流模塊，但如果需要，也可以選擇它們的值來執(zhí)行另一個(gè)阻抗變換。大多數(shù)Maxim發(fā)送器在驅(qū)動(dòng)125Ω至250Ω的電阻（實(shí)際阻抗）時(shí)，都能以最佳效率和功率輸出工作。例外情況是更高功率的MAX7044，它在60Ω至120Ω電阻的電阻下工作得最好，因?yàn)樗谳^小的負(fù)載電阻上保持RF電壓擺幅。

圖5.采用環(huán)形天線、鞭狀天線、螺旋天線或其他常見天線的發(fā)射器的通用匹配網(wǎng)絡(luò)。

圖6顯示了小型PCB環(huán)形天線的匹配網(wǎng)絡(luò)。選擇串聯(lián)電容C4的值來調(diào)出環(huán)路的大部分（但不是全部）電感。該電感將小串聯(lián)電阻轉(zhuǎn)換為網(wǎng)絡(luò)其余部分更易于管理的電阻。

圖6.匹配PCB環(huán)形天線的網(wǎng)絡(luò)建議。

審核編輯：郭婷