一、常见天线分类
一个射频产品中使用的天线是有很多种类可以选择的。在选择天线时大小、成本、性能都是最重要的因素。三种常见的短距天线设备是PCB天线,芯片天线和有一个连接器的鞭状天线。
下表列出了这三种天线的优点和缺点:
二、PCB天线
从上表可以看出,考虑成本因素,最适合的是PCB天线,设计一个PCB天线通常很不容易,需要借助仿真工具以达到可接受的方案。而为了获得最佳设计,将仿真工具配置到精确仿真状态是很困难且耗费时间的,因此在板子空间足够的情况下可以参照已有方案,互联网中有很多2.4GHz天线设计方案可以参照。
三、芯片天线
如果板子大小对天线有限制,则可以选择使用芯片天线。这总天线允许在小尺寸方案下实现1GHz频率的无线频率。与PCB天线相比较,这种天线增加了BOM和监控成本。即使芯片天线的制造商声称芯片天线在特性的频段匹配50Ω的特征电阻,但是在实际应用中还是需要外加的匹配电路来获得合适的性能。
四、鞭状天线
如果性能是首要考虑因素而可以在尺寸和成本上做出让步,那么外接一个连接器连接的天线是个很好的解决方案。这种天线通常是单极的而且有全方向的辐射图。也就是说这种天线在全方位都有相差不多的性能。鞭状天线的价格明显高于芯片天线,并且还需要在PCB板上额外增加一个连接器,这也增加了成本。
五、天线参数
为一个无线设备选择天线时有几个参数是必须考虑到的。这里边最重要的参数就是在天线周围不同方向上的辐射变化、天线效率如何、天线工作时需要的带宽和需要提供给天线的功率。这一部分相对复杂则不展开说了,需要使用专门的测量工具绘制辐射图。
辐射图:
接下来主要看看常用的PCB天线在PCB设计中的应用:
这是一个2.4GHz PCB天线。在PCB设计中需要考虑以下因素:
为保证损耗最小,RF 走线尽量短,元件之间尽量排紧凑一些;RF 走线尽量走直线,不要使用直角走线,走线宽度以及走线和外围 GND 的间距推荐 0.5mm。因 PCB 板材和介质会影响 RF 走线阻抗,为保证 RF 走线的阻抗50Ω,可以适当调整走线宽度以及走线和外围 GND 的间距。
RF尽量一字走线,如果空间受限无法一字走线,可使用L形走线,但不能使用U形走线。
RF走线四周一定要包地处理,上下层通过GND过孔连接。
射频部分布局尽量靠近板边,尽可能远离强辐射信号(高速信号等)。
天线正面和背面周边一定要隔空处理,保证天线与 GND 的间距在3mm以上,并且不能有金属元器件。
天线的长度一般是 30mm 左右,为蓝牙信号波长的 1/4。
为了提高 ESD 防护能力,天线表面不能裸露在外面,需要有阻焊层覆盖,最好在天线上表面再加一层丝印。
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