在无线通信中,天线可以说是最重要的器件之一,他主要负责将无线信号辐射到空间中。
现在是无线通信的时代,我们身边的各种蓝牙设备,手机,电脑,鼠标,键盘等等都已经不需要再接入网线连接了。而对于天线的选择,不同的应用则有不同的考量,而在消费类电子,智能硬件领域,我们通常会选择成本低廉的板载天线。由于我们通常的手持设备和智能穿戴设备上使用到的wifi,蓝牙都属于2.4GHz频段,所以他们的天线长度比较短,因此很容易直接设计在PCB板上,这样只需要注意阻抗控制,就可以让天线的成本几乎为0。下面我们来看两种板载天线。
1. 倒L型板载天线
上图就是倒L型天线,倒L型板载天线是由半波偶极子天线演变过来的,如下图所示:
设计产品的时候,有时候空间是有限制的,所以就这就要无限压缩我们的空间,那么这样的结果就是,G不断减小。圆图和S参数图的现象是因为天线臂和地平面产生一个耦合。G越小,电容效应就越大,因为L这条线和地平面离得近了,想想电容的公式。所以我们常常在设计的时候,在靠近L型天线馈电的位置并联一个电感,将我们的天线中心频点阻抗朝着50欧姆去靠。如果我们觉得倒L天线长度太长,占用PCB面积,可以将馈线弯曲走线,如下图所示:
2. 倒F型板载天线
倒F型天线是由倒L型天线演变而来的,看下图的演变过程:
在射频电路中,任何的铜箔,导线都不能再简单的看作为导线,他们在高频信号看来,他们是由很多电阻电容电感组成的一种等效电路。因此,在射频电路中,一个短路并不能被看做一个短路,这个短路导线实际上已经是一个电感的特性了。在倒L型天线中提过,为了调节天线震动的中心频点,我们会在射频输出点增加一个并联电感来微调,使得中心频点阻抗接近50Ω。现在我们通过一个对地短接线,完成了这个电感的等效!这种天线是由于其形状像是一个趴着的F字母而得名,后来由于空间限制,同样可以把较长的馈线弯曲走线,从而减小占用面积,就出现了下面这样的变种倒F天线。
在射频电路中,任何的铜箔,导线都不能再简单的看作为导线,他们在高频信号看来,他们是由很多电阻电容电感组成的一种等效电路。
C = 真空光速 F = 电磁波频率,倒F天线属于共振原理,接地目的是增加谐振阻抗,达到50Ω。它的等效电路如下,看到那个并联的电感了吗?
天线表面上看是短路,放在射频频段来看就不是短路了,它包含了电阻,电容以及电感部分。我们沿着这个思路具体看一下,这样的倒F天线,在PCB设计的时候,都有哪些需要注意的问题呢?
- 天线的长度不是随便画的,为了最小化设计,它的长度一般是射频载波的1/4波长,如果是自己设计的话,最好是使用仿真工具仿真一下。RF馈点这里引出来的线对接地的阻抗必须做到50Ω。接地馈点必须要足够可靠的接地。地平面必须要有足够多的过孔。天线附近以及它对应的其它层的铜箔必须净空,防止铜皮阻碍天线辐射信号,这根天线对其他铜箔之间的寄生电容很大。天线必须放在PCB板的角落,三面皆空。
三. 平面倒F天线
还有一种倒F天线的变种叫平面倒F天线,天线是一个立体的东西,所以我们立起来看就明白,F是怎么来的,只要找对一个接地馈点和一个射频馈点,其余部分都是馈线的等效部分。
从上图可以看到,从左下方的RF馈点看过去,就是一个倒F形状,只不过馈线变成了一个平面。同样是倒F结构,这种平面结构的天线要比板载线性天线的性能好很多。很多高性能的天线会采用这种方式,尤其是手机上面,为了更加节省PCB的面积,通常这个天线被设计成一个金属铂片,然后在PCB上设计两个接触点。
虽然,这个平面在不同的手机中形状各不相同,但它的原理就是平面倒F结构,在这个结构件中,你总能找到两个点和PCB相连接,一个是接RF,一个接地平面。