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[讨论] 物联网设备天线设计与选型指南

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天线设计和射频布局是无线系统中的关键组件,它负责发送和接收来自空中的电磁辐射。终端客户从某个 RF 产品 (如电量有限的硬币型电池) 获得的无线射程主要取决于天线的设计、外壳以及良好的 PCB 布局。发射机 (TX) 和接收机 (RX) 上的无线系统的关键部件如下所示:
天线系统是无线通讯的重要组成部分,对于芯片和电源相同但布局和天线设计实践不同的系统,良好的天线系统,能够极大提高无线通讯效果,事半功倍。
1、天线原理
天线一般指的是裸露在空间内的导体。该导体的长度与信号波长成特定比例或整数倍时,它可作为天线使用。因为提供给天线的电能被发射到空间内,所以该条件被称为“谐振”。对于天线的几何形状,有两个非常重要的事项需要注意:
1、天线长度
2、天线馈电
在印刷电路板中,长度为λ/2 的天线被称为偶极天线,该类天线导体的波长为λ/2,其中λ为电信号的波长。信号发生器通过一根传输线 (也称为天线馈电) 在天线的中心点为其供电,按照这个长度,将在整个导线上形成电压和电流驻波,如下图所示:
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输入到天线的电能被转换为电磁辐射,并以相应的频率辐射到空中。该天线由天线馈电供电,馈电的特性阻抗为 50 Ω,并且辐射到特性阻抗为 377Ω2的空间中。
在印刷电路板中,大多作为天线使用的导体长度仅为λ/4,通过在导体下方一定距离的位置上放置接地层,可以创建与导体长度相同的镜像 (λ/4)。被组合在一起时,这些引脚作为偶极天线使用。这种天线被称为四分之一波长 (λ/4) 天线。PCB 上几乎所有的天线都按铜制接地层上四分之一波长的尺寸实现,四分之一波长天线如下图所示:
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2、选型标准
天线的选择取决于其应用、可用电路板的尺寸、成本、辐射范围以及方向性等因素,下面简要介绍天线性能的某些关键参数。
2.1、回波损耗
天线的回波损耗表示天线如何与阻抗为 50Ω的传输线 (TL) 实现匹配,将其显示为下图中的信号馈送。通常,这个 TL 的阻抗值为 50Ω,但也可以是其他数值。对于工业标准,商业天线和它的测试设备的电阻为50Ω,因此建议最好使用该值。
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回波损耗显示:由于不匹配,天线反射的入射功率大小 (公式如下所示)。一个理想的天线会发射全部功率,不会产生任何反射。
天线的回波损耗及反射功率如下表所示:
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2.2、带宽
是指天线的频率响应。它表示在采用的整个频带上,例如在 BLE 应用的 2.40 GHz 至 2.48 GHz 的范围内,该天线与 50 Ω 的传输线如何相互匹配。如下图所示在 2.33 GHz 至 2.55 GHz 的带宽上,回波损耗大于 10 dB。因此,采用的带宽为 200 MHz 左右。 在大多数情况下,更宽的带宽是首选,因为它可以最大限度地减少产品在实际使用中天线周围环境变化引起的失谐效应
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2.3、辐射效率
指的是非反射功耗中的一部分被消耗为天线中的热量。产生热量是由于 FR4 基板中的介电损耗以及铜线中的导体损耗造成的。该信息作为辐射效率。辐射效率为 100%时,全部非反射的功耗都被发射到空间内。对于小型的 PCB 外形因素,热耗最小。
2.4、辐射图型
该图型表示辐射的方向性,即表示在哪个方向上的辐射更大,哪个方向上的辐射更小。这有助于在应用中准确地确定天线的方向。无方向性天线可以按与轴线相垂直的平面上所有方向进行等效发射。但大多数天线都达不到这个理想的性能。欲了解详细说明,参见下图所示的 PCB 天线的辐射图。每个数据点都代表 RF 场强,可以通过接收器中用于接收信号强度的指示器 (RSSI) 进行测量。正如所料的情况,获得的轮廓图像并不是圆形的,因为该天线不是各向同性的。
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2.5、增益
增益提供了所采用方向的辐射与各向同性天线 (即可从所有方向进行发射) 进行对比的信息。增益单位为 “dBi”,即表示在与一个理想的无方向性天线进行对比时辐射的场强。
3、典型天线分析3.1、蛇形倒 F 天线 (MIFA)
MIFA 是一种普通的天线,被广泛地使用在各个人机接口设备 (HID) 中,因为它占用的 PCB 空间较小。因此赛普拉斯已设计出一种结实的 MIFA 天线,而它能在较小的波形系数中提供优越的性能。该天线的尺寸为 7.2 mm × 11.1 mm (相当于 284 密耳×437 密耳),因此它很适合于各种 HID 的应用,例如无线鼠标、键盘或演示机等。如下图所示推荐的 MIFA 天线的详细布局,其中包含了双层 PCB 的顶层和底层。这种天线的迹线宽度均为 20 密耳。“W”的值是可改变的主要参数,它取决于 PCB 堆栈间隔,它表示 RF 走线 (传输线) 的宽度。
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3.2、F 天线 (IFA)
与 MIFA 相比,IFA 是一种辐射更好的天线。给定空间可用性 IFA 天线比 MIFA 天线更好。它有更好的效率。但与MIFA 相比,它需要更大的面积。IFA 推荐用于其中一个天线尺寸受限的应用,例如心率监测器。如下图所示双层 PCB 中推荐的 IFA (顶层和底层)的布局细节。迹线宽度为 24 密耳。IFA 的设计尺寸为 4 mm×20.5 mm (157.5 mils×807 mils),用于厚度为 1.6 mm的 FR4 PCB。IFA 具有比 MIFA 更大的纵横比 (宽高比)。
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3.3、芯片天线
对于 PCB 尺寸非常小的应用,芯片天线不失为一种很好的办法。它们是现成的天线,占用的 PCB 空间最小,并且能够提供较好的性能。但芯片天线增加了物料 (BOM) 与装配费用。因为这些事需要订购和装配的外部组件。通常,芯片天线的价格约为 10-50 美分,具体价格取决于尺寸和性能。
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使用芯片天线时,也应考虑另一个关键因素:它受辐射接地面积的影响。所以,必须遵循厂家对接地面积的推荐。与PCB 天线不同,芯片天线不能通过改变天线长度来调整。另外需要一个匹配网络才能调整该天线,因此会增加更多的物料成本。
3.4、导线天线
导线天线是四分之一波长导体的经典天线。它们固定在 PCB 上,但是从 PCB 平面升起并突出到接地层上的空间。由于它们作为 3D 天线暴露在空气中,因此它们具有出色的射频性能。它们具有最佳辐射范围,并且具有最全面的等向性的辐射模式。对于需要小尺寸的 BLE 应用,它们不是首选,因为它们需要很大的空间和垂直高度。但是,如果空间无限制,就射频范围,方向性和辐射方向图而言,它们可以用作最佳天线。通常,诸如插入墙上的智能家庭控制器的应用可以使用这种类型的天线。导线的形状和尺寸需要针对特定的工业设计 (ID) 进行优化。导线可以根据外壳弯曲。应特别注意导线天线的制造,因为根据外壳形状,导线天线也可以有不同的形状。
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导线天线是射频性能最好的。与其他天线相比,它们具有最佳的天线效率和方向性。
4、天线快速选型指南
分享一波我个人学习工作过程中的总结,有更好方法的同志请在下发留言分享~
4.1、导线天线
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4.2、PCB、导线天线
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