天线作为无线信号辐射和接收的重要器件,在无线通信中起着关键作用。天线究竟是如何实现信号从有线到无线的转换的?如何才能设计出一款性能优秀的天线?本系列文章带你深入了解。
PCB天线概述
什么是PCB天线?顾名思义,就是在PCB上印制了一根走线,可以将其画成直线走线,反转的F形走线,蛇形或圆形走线等,长度为四分之一波长就基本可以形成天线,将电信号辐射出去或接收信号。
设计指标
在上一期文章(深入解读无线通信中的天线①—初识天线),我们介绍了天线的几个关键性能指标:增益、工作频段/带宽、驻波比/输入阻抗。本期我们参考这些关键参数,以广州致远电子股份有限公司推出的ZM602系列Wi-Fi模块为例,看看如何设计出一款性能优秀的PCB天线。
下表是我们本次天线设计的参数指标要求如下。
表1 天线参数设计指标
增益 | >2.0dBi |
工作带宽 | >150MHz |
带宽内S11 | <-10dB |
输入阻抗 | 50Ω |
VSWR(驻波比) | <2.0 |
天线模型
PCB天线最常见的结构是倒F天线,如下图所示。
图1倒F天线模型
天线的长度需要符合传输信号的四分之一自由空间波长,才能达到发射和接收转换效率最高,同时更好产生较好输入阻抗。2.45GHz信号的自由空间波长为122.45mm,因此相应的天线长度约为30.6mm,该长度就是PCB天线中倒F部分(L)的长度。实际设计中,为了尽可能减小天线占用的空间,常常会设计成蛇形走线。天线的高度(H)、馈线与接地点的距离(S)以及蛇形走线的宽度这三项参数设计到具体的仿真调试,受篇幅影响,这里暂不展开说明。
图2天线的蛇形走线
除了倒F部分的蛇形走线,天线还需要良好的接地面,才能实现信号的辐射和接收。接地面的长度要求和蛇形走线部分一样,为传输信号的四分之一自由空间波长,即30.6mm。考虑到产品的实际使用环境,无线模组的体积不能太大,因此本次设计中,我们将ZM602模组的整体尺寸设计为25*18mm,其中接地面的最大长度约为25mm(对角线)。由于接地面长度无法达到30.6mm的要求,天线性能受到一定影响。但若将ZM602模块焊接在测试底板或者客户底板上,即可借助底板的接地面,让天线发挥出最好的性能效果。
经过仿真软件的调整优化后,我们最终确定的天线模式尺寸如下。
图3PCB天线完整模型
天线性能测试
现在,ZM602的PCB天线已经设计完成,那么这款天线的性能是否达到了我们的设计要求呢?我们在仿真软件中对天线进行仿真测试(带测试底板),以及对天线实物进行了实际测试,测试结果显示,天线各项参数均满足设计要求。
表2 天线参数测试结果
参数 | 设计指标 | 仿真结果 | 实测结果 | 是否达标 |
增益 | >2.0dBi | 2.4dBi | 3.4dBi | 是 |
工作频段 | >150MHz | 2400~2600MHz | 2400~2600MHz | 是 |
带宽内S11 | <-10dB | <-10dB | <-10dB | 是 |
输入阻抗 | 50+J0 | 42+J10 | 37+J8 | 是 |
驻波比 | <2.0 | <2.0 | <1.8 | 是 |
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原文标题:【技术分享】深入解读无线通信中的天线② — PCB天线设计
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