【導讀】天線作為無線信號輻射和接收的重要器件,在無線通信中起著關(guān)鍵作用。天線究竟是如何實現(xiàn)信號從有線到無線的轉(zhuǎn)換的?如何才能設(shè)計出一款性能優(yōu)秀的天線?本系列文章帶你深入了解。
PCB天線概述
什么是PCB天線?顧名思義,就是在PCB上印制了一根走線,可以將其畫成直線走線,反轉(zhuǎn)的F形走線,蛇形或圓形走線等,長度為四分之一波長就基本可以形成天線,將電信號輻射出去或接收信號。
設(shè)計指標
在上一期文章(深入解讀無線通信中的天線① — 初識天線),我們介紹了天線的幾個關(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(shù),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(shè)計出一款性能優(yōu)秀的PCB天線。
下表是我們本次天線設(shè)計的參數(shù)指標要求如下。
表1 天線參數(shù)設(shè)計指標
天線模型
PCB天線最常見的結(jié)構(gòu)是倒F天線,如下圖所示。
圖1 倒F天線模型
天線的長度需要符合傳輸信號的四分之一自由空間波長,才能達到發(fā)射和接收轉(zhuǎn)換效率最高,同時更好產(chǎn)生較好輸入阻抗。2.45GHz信號的自由空間波長為122.45mm,因此相應(yīng)的天線長度約為30.6mm,該長度就是PCB天線中倒F部分(L)的長度。實際設(shè)計中,為了盡可能減小天線占用的空間,常常會設(shè)計成蛇形走線。天線的高度(H)、饋線與接地點的距離(S)以及蛇形走線的寬度這三項參數(shù)設(shè)計到具體的仿真調(diào)試,受篇幅影響,這里暫不展開說明。
圖2 天線的蛇形走線
除了倒F部分的蛇形走線,天線還需要良好的接地面,才能實現(xiàn)信號的輻射和接收。接地面的長度要求和蛇形走線部分一樣,為傳輸信號的四分之一自由空間波長,即30.6mm。考慮到產(chǎn)品的實際使用環(huán)境,無線模組的體積不能太大,因此本次設(shè)計中,我們將ZM602模組的整體尺寸設(shè)計為25*18mm,其中接地面的最大長度約為25mm(對角線)。由于接地面長度無法達到30.6mm的要求,天線性能受到一定影響。但若將ZM602模塊焊接在測試底板或者客戶底板上,即可借助底板的接地面,讓天線發(fā)揮出最好的性能效果。
經(jīng)過仿真軟件的調(diào)整優(yōu)化后,我們最終確定的天線模式尺寸如下。
圖3 PCB天線完整模型
天線性能測試
現(xiàn)在,ZM602的PCB天線已經(jīng)設(shè)計完成,那么這款天線的性能是否達到了我們的設(shè)計要求呢?我們在仿真軟件中對天線進行仿真測試(帶測試底板),以及對天線實物進行了實際測試,測試結(jié)果顯示,天線各項參數(shù)均滿足設(shè)計要求。
表2 天線參數(shù)測試結(jié)果
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