物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)中的PCB板載天線設(shè)計要點

PCB板載天線介紹

什么是 PCB 天線？顧名思義，就是在 PCB （印制電路板）上印制了一根走線。這根走線的形狀多種多樣，可以將其畫成筆直的直線走線，也可以是反轉(zhuǎn)的 F 形走線，還可以是蜿蜒曲折的蛇形或圓潤的圓形走線等等。通常來說，當(dāng)走線的長度達到四分之一波長時，就基本上可以形成天線，從而能夠有效地將電信號輻射出去，或者接收來自外部的信號。

在實際應(yīng)用中，PCB 天線具有諸多優(yōu)點。例如，它的設(shè)計相對簡單，成本較低，而且可以與其他電路元件集成在同一塊 PCB 板上，節(jié)省空間并提高系統(tǒng)的整體性能。此外，PCB 天線還具有較好的穩(wěn)定性和可靠性，能夠在不同的環(huán)境條件下正常工作。

然而，PCB 天線也存在一些局限性。由于其尺寸和形狀受到 PCB 板的限制，因此在某些情況下，其性能可能不如專門設(shè)計的外置天線。此外，PCB 天線的帶寬相對較窄，可能無法滿足一些對帶寬要求較高的應(yīng)用需求。

總之，PCB 天線是一種在 PCB 上印制的走線，通過合理的設(shè)計和布局，可以實現(xiàn)電信號的輻射和接收。在選擇使用 PCB 天線時，需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求和環(huán)境條件，綜合考慮其優(yōu)點和局限性，以確保系統(tǒng)的性能和可靠性。

設(shè)計指標(biāo)

天線的幾個關(guān)鍵性能指標(biāo):增益、工作頻段/帶寬、駐波比輸入阻抗。

一般天線的選擇有一些因素，除了考慮性能還要考慮成本，所以在選擇天線的時候，需要綜合考慮。

PCB板載天線成本低，但性能會稍微差一點。PCB板載天線也有幾種形式。

倒L形PCB板載天線

如下圖7所示，圖8就是倒L形天線的變種，也是因空間不夠，扭曲一下，以匹配頻率

圖7

此倒L形的需要注意的問題跟前面的差不多不再說明，倒L型天線沒有倒F型天線效果好一點，因為倒F天線有一個接地饋點，能有效調(diào)節(jié)頻點。

在進行產(chǎn)品設(shè)計的過程中，常常會面臨空間有限的情況。在這種狀況下，我們不得不竭盡全力去無限壓縮可用空間。而這樣做所帶來的后果便是，G（可能是某個特定的參數(shù)或變量）持續(xù)減小。

圓圖和 S 參數(shù)圖所呈現(xiàn)出的現(xiàn)象，其根源在于天線臂與地平面之間形成了耦合。G 越小，電容效應(yīng)就愈發(fā)顯著。這是因為 L 這條線與地平面的距離拉近了，只需回想一下電容的計算公式便能明白其中的原理。

正因如此，我們在設(shè)計時，常常會在靠近 L 型天線饋電的位置并聯(lián)一個電感，其目的在于將我們天線的中心頻點阻抗逐漸朝著 50 歐姆靠近。倘若我們認為倒 L 天線的長度過長，從而過多地占用了 PCB 面積，那么還可以選擇將饋線進行彎曲走線，其效果如下圖所示：

市面上有不少PCB板載天線，主要是上面兩種，還有一些如下面的圖所示

倒F型板載天線

倒F型天線是由倒L型天線演變而來的，看下圖的演變過程：

在射頻電路中，任何的銅箔，導(dǎo)線都不能再簡單的看作為導(dǎo)線，他們在高頻信號看來，他們是由很多電阻電容電感組成的一種等效電路。因此，在射頻電路中，一個短路并不能被看做一個短路，這個短路導(dǎo)線實際上已經(jīng)是一個電感的特性了。

在倒L型天線中提過，為了調(diào)節(jié)天線震動的中心頻點，我們會在射頻輸出點增加一個并聯(lián)電感來微調(diào)，使得中心頻點阻抗接近50Ω。現(xiàn)在我們通過一個對地短接線，完成了這個電感的等效！

這種天線是由于其形狀像是一個趴著的F字母而得名，后來由于空間限制，同樣可以把較長的饋線彎曲走線，從而減小占用面積，就出現(xiàn)了下面這樣的變種倒F天線。

在射頻電路中，任何的銅箔，導(dǎo)線都不能再簡單的看作為導(dǎo)線，他們在高頻信號看來，他們是由很多電阻電容電感組成的一種等效電路。

C = 真空光速 F = 電磁波頻率，倒F天線屬于共振原理，接地目的是增加諧振阻抗，達到50Ω。它的等效電路如下

天線表面上看是短路，放在射頻頻段來看就不是短路了，它包含了電阻，電容以及電感部分。我們沿著這個思路具體看一下，這樣的倒F天線，在PCB設(shè)計的時候，都有哪些需要注意的問題

天線的長度不是隨便畫的，為了最小化設(shè)計，它的長度一般是射頻載波的1/4波長，如果是自己設(shè)計的話，最好是使用仿真工具仿真一下。

RF饋點這里引出來的線對接地的阻抗必須做到50Ω。

接地饋點必須要足夠可靠的接地。

地平面必須要有足夠多的過孔。

天線附近以及它對應(yīng)的其它層的銅箔必須凈空，防止銅皮阻礙天線輻射信號，這根天線對其他銅箔之間的寄生電容很大。

天線必須放在PCB板的角落，三面皆空。

平面倒F型天線

倒F天線的變種叫平面倒F天線，天線是一個立體的東西，所以我們立起來看就明白，F(xiàn)是怎么來的，只要找對一個接地饋點和一個射頻饋點，其余部分都是饋線的等效部分。如下圖所示就是倒F的PCB板載天線

從上圖可以看到，從左下方的RF饋點看過去，就是一個倒F形狀，只不過饋線變成了一個平面。同樣是倒F結(jié)構(gòu)，這種平面結(jié)構(gòu)的天線要比板載線性天線的性能好很多。很多高性能的天線會采用這種方式，尤其是手機上面，為了更加節(jié)省PCB的面積，通常這個天線被設(shè)計成一個金屬鉑片，然后在PCB上設(shè)計兩個接觸點。

雖然，這個平面在不同的手機中形狀各不相同，但它的原理就是平面倒F結(jié)構(gòu)，在這個結(jié)構(gòu)件中，你總能找到兩個點和PCB相連接，一個是接RF，一個接地平面。

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審核編輯 黃宇