深入解讀無(wú)線(xiàn)通信中的天線(xiàn)② — PCB天線(xiàn)設計

天線(xiàn)作為無(wú)線(xiàn)信號輻射和接收的重要器件，在無(wú)線(xiàn)通信中起著(zhù)關(guān)鍵作用。天線(xiàn)究竟是如何實(shí)現信號從有線(xiàn)到無(wú)線(xiàn)的轉換的？如何才能設計出一款性能優(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)，反轉的F形走線(xiàn)，蛇形或圓形走線(xiàn)等，長(cháng)度為四分之一波長(cháng)就基本可以形成天線(xiàn)，將電信號輻射出去或接收信號。

設計指標

在上一期文章（深入解讀無(wú)線(xiàn)通信中的天線(xiàn)① — 初識天線(xiàn)），我們介紹了天線(xiàn)的幾個(gè)關(guān)鍵性能指標：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，以廣州致遠電子股份有限公司推出的ZM602系列Wi-Fi模塊為例，看看如何設計出一款性能優(yōu)秀的PCB天線(xiàn)。

下表是我們本次天線(xiàn)設計的參數指標要求如下。 

表1 天線(xiàn)參數設計指標

天線(xiàn)模型

PCB天線(xiàn)最常見(jiàn)的結構是倒F天線(xiàn)，如下圖所示。

圖1  倒F天線(xiàn)模型

天線(xiàn)的長(cháng)度需要符合傳輸信號的四分之一自由空間波長(cháng)，才能達到發(fā)射和接收轉換效率最高，同時(shí)更好產(chǎn)生較好輸入阻抗。2.45GHz信號的自由空間波長(cháng)為122.45mm，因此相應的天線(xiàn)長(cháng)度約為30.6mm，該長(cháng)度就是PCB天線(xiàn)中倒F部分（L）的長(cháng)度。實(shí)際設計中，為了盡可能減小天線(xiàn)占用的空間，常常會(huì )設計成蛇形走線(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)的寬度這三項參數設計到具體的仿真調試，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)現信號的輻射和接收。接地面的長(cháng)度要求和蛇形走線(xiàn)部分一樣，為傳輸信號的四分之一自由空間波長(cháng)，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，因此本次設計中，我們將ZM602模組的整體尺寸設計為25*18mm，其中接地面的最大長(cháng)度約為25mm（對角線(xiàn)）。由于接地面長(cháng)度無(wú)法達到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)性能測試

現在，ZM602的PCB天線(xiàn)已經(jīng)設計完成，那么這款天線(xiàn)的性能是否達到了我們的設計要求呢？我們在仿真軟件中對天線(xiàn)進(jìn)行仿真測試（帶測試底板），以及對天線(xiàn)實(shí)物進(jìn)行了實(shí)際測試，測試結果顯示，天線(xiàn)各項參數均滿(mǎn)足設計要求。

表2 天線(xiàn)參數測試結果