深入解讀無(wú)線(xiàn)通信中的天線(xiàn)② — PCB天線(xiàn)設(shè)計(jì)

天線(xiàn)作為無(wú)線(xiàn)信號(hào)輻射和接收的重要器件，在無(wú)線(xiàn)通信中起著關(guān)鍵作用。天線(xiàn)究竟是如何實(shí)現(xiàn)信號(hào)從有線(xiàn)到無(wú)線(xiàn)的轉(zhuǎn)換的？如何才能設(shè)計(jì)出一款性能優(yōu)秀的天線(xiàn)？本系列文章帶你深入了解。

PCB天線(xiàn)概述

什么是PCB天線(xiàn)？顧名思義，就是在PCB上印制了一根走線(xiàn)，可以將其畫(huà)成直線(xiàn)走線(xiàn)，反轉(zhuǎn)的F形走線(xiàn)，蛇形或圓形走線(xiàn)等，長(zhǎng)度為四分之一波長(zhǎng)就基本可以形成天線(xiàn)，將電信號(hào)輻射出去或接收信號(hào)。

設(shè)計(jì)指標(biāo)

在上一期文章（深入解讀無(wú)線(xiàn)通信中的天線(xiàn)① — 初識(shí)天線(xiàn)），我們介紹了天線(xiàn)的幾個(gè)關(guān)鍵性能指標(biāo)：增益、工作頻段/帶寬、駐波比/輸入阻抗。本期我們參考這些關(guān)鍵參數(shù)，以廣州致遠(yuǎn)電子股份有限公司推出的ZM602系列Wi-Fi模塊為例，看看如何設(shè)計(jì)出一款性能優(yōu)秀的PCB天線(xiàn)。

下表是我們本次天線(xiàn)設(shè)計(jì)的參數(shù)指標(biāo)要求如下。 

表1 天線(xiàn)參數(shù)設(shè)計(jì)指標(biāo)

天線(xiàn)模型

PCB天線(xiàn)最常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)是倒F天線(xiàn)，如下圖所示。

圖1  倒F天線(xiàn)模型

天線(xiàn)的長(zhǎng)度需要符合傳輸信號(hào)的四分之一自由空間波長(zhǎng)，才能達(dá)到發(fā)射和接收轉(zhuǎn)換效率最高，同時(shí)更好產(chǎn)生較好輸入阻抗。2.45GHz信號(hào)的自由空間波長(zhǎng)為122.45mm，因此相應(yīng)的天線(xiàn)長(zhǎng)度約為30.6mm，該長(zhǎng)度就是PCB天線(xiàn)中倒F部分（L）的長(zhǎng)度。實(shí)際設(shè)計(jì)中，為了盡可能減小天線(xiàn)占用的空間，常常會(huì)設(shè)計(jì)成蛇形走線(xiàn)。天線(xiàn)的高度（H）、饋線(xiàn)與接地點(diǎn)的距離（S）以及蛇形走線(xiàn)的寬度這三項(xiàng)參數(shù)設(shè)計(jì)到具體的仿真調(diào)試，受篇幅影響，這里暫不展開(kāi)說(shuō)明。

圖2  天線(xiàn)的蛇形走線(xiàn)

除了倒F部分的蛇形走線(xiàn)，天線(xiàn)還需要良好的接地面，才能實(shí)現(xiàn)信號(hào)的輻射和接收。接地面的長(zhǎng)度要求和蛇形走線(xiàn)部分一樣，為傳輸信號(hào)的四分之一自由空間波長(zhǎng)，即30.6mm?？紤]到產(chǎn)品的實(shí)際使用環(huán)境，無(wú)線(xiàn)模組的體積不能太大，因此本次設(shè)計(jì)中，我們將ZM602模組的整體尺寸設(shè)計(jì)為25*18mm，其中接地面的最大長(zhǎng)度約為25mm（對(duì)角線(xiàn)）。由于接地面長(zhǎng)度無(wú)法達(dá)到30.6mm的要求，天線(xiàn)性能受到一定影響。但若將ZM602模塊焊接在測(cè)試底板或者客戶(hù)底板上，即可借助底板的接地面，讓天線(xiàn)發(fā)揮出最好的性能效果。

經(jīng)過(guò)仿真軟件的調(diào)整優(yōu)化后，我們最終確定的天線(xiàn)模式尺寸如下。

圖3  PCB天線(xiàn)完整模型

天線(xiàn)性能測(cè)試

現(xiàn)在，ZM602的PCB天線(xiàn)已經(jīng)設(shè)計(jì)完成，那么這款天線(xiàn)的性能是否達(dá)到了我們的設(shè)計(jì)要求呢？我們?cè)诜抡孳浖袑?duì)天線(xiàn)進(jìn)行仿真測(cè)試（帶測(cè)試底板），以及對(duì)天線(xiàn)實(shí)物進(jìn)行了實(shí)際測(cè)試，測(cè)試結(jié)果顯示，天線(xiàn)各項(xiàng)參數(shù)均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

表2 天線(xiàn)參數(shù)測(cè)試結(jié)果