用于300MHz至450MHz發(fā)送器的小型天線

摘要：這篇應(yīng)用筆記詳細(xì)介紹了用于遠(yuǎn)程無線鑰匙門禁(RKE)，胎壓檢測器(TPM)、車庫開門器、家庭安全傳感器和電視遙控器等手持發(fā)送器的多種天線。并討論了環(huán)形/鞭狀天線、介質(zhì)/“回形針天線”、常規(guī)鞭狀天線、螺旋天線和貼片天線，介紹了這些天線與Maxim發(fā)送器的匹配網(wǎng)絡(luò)。
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概述

用于遠(yuǎn)程無線鑰匙門禁(PKE)、胎壓檢測器(TPM)、車庫開門器、家庭安全傳感器和電視遙控器的發(fā)送器需要小封裝天線。因此，幾乎所有這些應(yīng)用中的天線都非常短(即尺寸為波長的十分之一甚至更短)。該應(yīng)用筆記介紹了這些天線的組成并給出了相關(guān)阻抗的評估。
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天線類型

印刷電路板環(huán)形或鞭狀天線

印刷電路板環(huán)形或鞭狀天線是指在印刷電路板(PCB)上制作的圓形、橢圓、方形或矩形引線。如果設(shè)計(jì)采用雙層PCB，天線所在的PCB層的另一面需要裸露。不能有地層或其它引線放置在天線下面。

天線引線的“驅(qū)動”或“饋入點(diǎn)”為輸入端—直接或通過一個(gè)匹配網(wǎng)絡(luò)連接至功率放大器(PA)。匹配網(wǎng)絡(luò)元件放置在PCB另一層，地層的上方。通常在驅(qū)動端，地層在另一PCB層，所以，印刷天線區(qū)域是裸露的。印刷天線的另一端連接至地層，通常通過在PCB頂層引線終端處較大的覆銅區(qū)域?qū)崿F(xiàn)，并通過很多過孔連接到地。

如果天線的另一端為斷開的，該天線則成為一個(gè)鞭狀天線，或單極天線。鞭狀天線可通過PCB布線實(shí)現(xiàn)，可以是直線或半圓、橢圓、方形或長方形。 圖1給出了一個(gè)PCB環(huán)形/鞭狀天線的示意圖。


圖1. PCB環(huán)形或鞭狀天線

一種多功能天線為環(huán)形，不會直接短接到地，其末端為焊盤/連線，可以斷開或短接到地。該焊盤通常帶有一個(gè)電感或電容，將天線調(diào)諧到適當(dāng)頻率。

小環(huán)形天線具有手持發(fā)送器的典型尺寸(每邊長為2cm到5cm)，帶有一個(gè)30nH到100nH的電感和一個(gè)幾Ω的等效串聯(lián)電阻。理論上，串聯(lián)電阻小于1Ω，但板上損耗、介質(zhì)損耗、其它電路元件的耦合損耗和測量誤差可能導(dǎo)致在使用網(wǎng)絡(luò)分析儀測量時(shí)阻值高達(dá)10Ω。

手持發(fā)送器中典型尺寸的鞭狀天線具有1pF至5pF的電容和幾Ω的等效串聯(lián)電阻。理論上小鞭狀天線的等效串聯(lián)電阻是同等尺寸環(huán)形天線等效電阻的10倍，但它仍然非常小，實(shí)際測得的電阻值和環(huán)形天線的電阻相同。

雖然印刷天線省錢，但其缺點(diǎn)是天線特性依賴于板材和引線本身的容差。有的表貼天線具有較好的可重復(fù)性，當(dāng)對天線的一致性要求較高時(shí)，應(yīng)考慮采用這種方式。
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凸?fàn)钐炀€或“曲別針”天線

凸?fàn)钐炀€或“曲別針”天線，如圖2所示，與印刷環(huán)形、鞭狀天線非常相似。通常為外部導(dǎo)線或平面金屬條，連接到PCB，增加了幾毫米的厚度，并具有印刷天線的輪廓。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是天線稍許遠(yuǎn)離了PCB的其它元件。該天線的遠(yuǎn)端通過一個(gè)絕緣支架使其懸空，或彎曲并連接到PCB上。放置在PCB上時(shí)，可以連接到焊盤上，通?？蛇B接至地層、保持?jǐn)嚅_或通過一個(gè)無源器件(如電感或電容)接地。


圖2. 凸?fàn)钐炀€

凸?fàn)钐炀€的阻抗與印刷天線的阻抗相同。
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傳統(tǒng)的鞭狀天線

一些手持設(shè)備在某一方向有足夠的空間放置傳統(tǒng)的鞭狀天線或“斷頭”天線。它通常是2cm至5cm的導(dǎo)線，有時(shí)候覆蓋了保護(hù)介質(zhì)材料。這種天線可以選擇市場上現(xiàn)有的(OTS)天線，提供特定的性能規(guī)格，也可以利用金屬片自己制作(DIY)。OTS天線的阻抗與其它PCB天線相比具有更好的可重復(fù)性，這可能是由于天線具有更大的內(nèi)部損耗，使其電阻較大。一些大尺寸OTS天線可能具有接近50Ω的阻抗，并且沒有電抗(容性或感性)，通常還利用一個(gè)內(nèi)部電感來抵消容性負(fù)載，圖3給出了兩個(gè)獨(dú)立的鞭狀天線。


圖3. 獨(dú)立的鞭狀天線(圖片不包含天線參數(shù))
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螺旋天線

螺旋天線很像一個(gè)較粗的鞭狀天線，通常為長度2cm至5cm的細(xì)線圈，圖4給出了相應(yīng)的例子。許多用戶自己繞制線圈。螺旋天線也有很多市場上開始供貨的產(chǎn)品，絕大多數(shù)的螺旋天線具有20Ω至50Ω電阻、0Ω虛部阻抗(即沒有容性和感性阻抗)，從理論上看，線圈電感抵消了鞭狀天線的電容值。螺旋天線很容易匹配，但其輻射強(qiáng)度不會優(yōu)于其它天線的輻射強(qiáng)度。


圖4. 螺旋天線(圖片不包含天線參數(shù))
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片狀天線

片狀天線很少用在300MHz至450MHz系統(tǒng)，因?yàn)檫@些天線的常規(guī)尺寸為波長的四分之一。不像其它PCB天線，片狀天線在另一層PCB有一個(gè)地層。小尺寸片狀天線的阻抗與鞭狀天線的阻抗非常接近，因?yàn)樘炀€的非驅(qū)動端開路，形成了一個(gè)電容。小尺寸片狀天線的阻抗等效于1pF至5pF電容與一個(gè)小電阻串聯(lián)。
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Maxim發(fā)送器的通用匹配網(wǎng)絡(luò)

圖5給出了一個(gè)良好的匹配網(wǎng)絡(luò)，用于實(shí)現(xiàn)Maxim發(fā)送器與上述任一天線的匹配。特定焊盤可由電感和電容組成，取決于所需的天線類型。串聯(lián)元件(E6)或并聯(lián)元件(E5)用于抵消一些或全部電抗，改變天線的等效電阻。元件E3、E4和E5通常用來構(gòu)成一個(gè)π型網(wǎng)絡(luò)的低通濾波器(LPF)，抑制PA輸出的高次諧波。如果E5作為天線的一個(gè)調(diào)諧器件，其數(shù)值可被整合到π型網(wǎng)絡(luò)低通濾波器。電感(L1)用來隔離來自直流電源的RF干擾，電容(C1)為隔直流電容，需要時(shí)，可以選擇適當(dāng)數(shù)值以實(shí)現(xiàn)其它阻抗變換。在125Ω至250Ω驅(qū)動電阻(實(shí)際電阻)時(shí)，絕大多數(shù)Maxim的發(fā)送器能夠提供最佳效率和功率輸出。唯一例外的是大功率的MAX7044，在電阻為60Ω到120Ω之間時(shí)工作最好，它能夠在負(fù)載阻抗較小時(shí)保持RF信號的電壓擺幅。


圖5. 發(fā)送器的通用匹配網(wǎng)絡(luò)，包括環(huán)形、鞭狀、螺旋或其它常用天線

圖6給出了一個(gè)小尺寸PCB環(huán)形天線的匹配網(wǎng)絡(luò)。選擇串聯(lián)電容(C4)以抵消大部分(不是所有)環(huán)路電感。該電感將小的串聯(lián)電阻轉(zhuǎn)換感性阻抗。


圖6. PCB環(huán)形天線的推薦匹配網(wǎng)絡(luò)