深入解讀無(wú)線通信中的天線②—PCB天線設(shè)計(jì)

天線作為無(wú)線信號(hào)輻射和接收的重要器件，在無(wú)線通信中起著關(guān)鍵作用。天線究竟是如何實(shí)現(xiàn)信號(hào)從有線到無(wú)線的轉(zhuǎn)換的?如何才能設(shè)計(jì)出一款性能優(yōu)秀的天線?本系列文章帶你深入了解。

PCB天線概述

什么是PCB天線?顧名思義，就是在PCB上印制了一根走線，可以將其畫(huà)成直線走線，反轉(zhuǎn)的F形走線，蛇形或圓形走線等，長(zhǎng)度為四分之一波長(zhǎng)就基本可以形成天線，將電信號(hào)輻射出去或接收信號(hào)。

設(shè)計(jì)指標(biāo)

在上一期文章(深入解讀無(wú)線通信中的天線① — 初識(shí)天線)，我們介紹了天線的幾個(gè)關(guān)鍵性能指標(biāo)：增益、工作頻段/帶寬、駐波比/輸入阻抗。本期我們參考這些關(guān)鍵參數(shù)，以廣州致遠(yuǎn)電子股份有限公司推出的ZM602系列Wi-Fi模塊為例，看看如何設(shè)計(jì)出一款性能優(yōu)秀的PCB天線。

下表是我們本次天線設(shè)計(jì)的參數(shù)指標(biāo)要求如下。

表1 天線參數(shù)設(shè)計(jì)指標(biāo)

天線模型

PCB天線最常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)是倒F天線，如下圖所示。

圖1 倒F天線模型

天線的長(zhǎng)度需要符合傳輸信號(hào)的四分之一自由空間波長(zhǎng)，才能達(dá)到發(fā)射和接收轉(zhuǎn)換效率最高，同時(shí)更好產(chǎn)生較好輸入阻抗。2.45GHz信號(hào)的自由空間波長(zhǎng)為122.45mm，因此相應(yīng)的天線長(zhǎng)度約為30.6mm，該長(zhǎng)度就是PCB天線中倒F部分(L)的長(zhǎng)度。實(shí)際設(shè)計(jì)中，為了盡可能減小天線占用的空間，常常會(huì)設(shè)計(jì)成蛇形走線。天線的高度(H)、饋線與接地點(diǎn)的距離(S)以及蛇形走線的寬度這三項(xiàng)參數(shù)設(shè)計(jì)到具體的仿真調(diào)試，受篇幅影響，這里暫不展開(kāi)說(shuō)明。

圖2 天線的蛇形走線

除了倒F部分的蛇形走線，天線還需要良好的接地面，才能實(shí)現(xiàn)信號(hào)的輻射和接收。接地面的長(zhǎng)度要求和蛇形走線部分一樣，為傳輸信號(hào)的四分之一自由空間波長(zhǎng)，即30.6mm?？紤]到產(chǎn)品的實(shí)際使用環(huán)境，無(wú)線模組的體積不能太大，因此本次設(shè)計(jì)中，我們將ZM602模組的整體尺寸設(shè)計(jì)為25*18mm，其中接地面的最大長(zhǎng)度約為25mm(對(duì)角線)。由于接地面長(zhǎng)度無(wú)法達(dá)到30.6mm的要求，天線性能受到一定影響。但若將ZM602模塊焊接在測(cè)試底板或者客戶(hù)底板上，即可借助底板的接地面，讓天線發(fā)揮出最好的性能效果。

經(jīng)過(guò)仿真軟件的調(diào)整優(yōu)化后，我們最終確定的天線模式尺寸如下。

圖3 PCB天線完整模型

天線性能測(cè)試

現(xiàn)在，ZM602的PCB天線已經(jīng)設(shè)計(jì)完成，那么這款天線的性能是否達(dá)到了我們的設(shè)計(jì)要求呢?我們?cè)诜抡孳浖袑?duì)天線進(jìn)行仿真測(cè)試(帶測(cè)試底板)，以及對(duì)天線實(shí)物進(jìn)行了實(shí)際測(cè)試，測(cè)試結(jié)果顯示，天線各項(xiàng)參數(shù)均滿足設(shè)計(jì)要求。

表2 天線參數(shù)測(cè)試結(jié)果

審核編輯：湯梓紅