在万物互联的大趋势下,无线通信模块成为了各类电子设备中不可或缺的一部分,而模块的通信质量很大程度上取决于天线设计是否合理。本文介绍了如何选择合适的天线并发挥出天线最佳的性能。
 
随着技术的进步,为了节省研发周期,不少厂商都推出各种各样的成品天线。然而如果工程师选择不当,不仅起不到应有的效果,反而会浪费很多时间与成本在排查调试上,得不偿失。本文将介绍常用的几种天线并结合在工程中的实际使用经验给出设计建议,以供大家参考。
 
接下来为大家介绍常用的天线种类:
(1)板载 PCB 式天线:采用 PCB 蚀刻而成,成本低,但是性能有限,可调性好,可大批量用于蓝牙、WiFi 无线通信模块。
 
(2)SMT 贴片式:常用的有陶瓷天线,占用面积少,集成度高,容易更换,适用于对空间要求小的产品,但是该类型天线价格稍贵且带宽偏小。
 
(3)外置棒状天线:性能好,无需调试,方便更换,增益高,适用于各种终端设备。
 
(4)FPC 天线:通过馈线连接,安装自由,增益高,通常可以使用背胶贴在机器非金属外壳上,适用于性能要求高且外壳空间充足的产品上。
 
图 1 常见天线
 
天线的作用是将射频信号辐射到自由空间,这时候选择合适的天线对于传输距离就有很大的影响。天线对周围环境很敏感,很多情况下会出现即使选择了合适的天线,也达不到预期的效果。由于有些客户对天线设计需要考虑的因素不清楚,这里我们给出在实际工程设计中的一些经验,便于客户更好地设计出自己的电路与 PCB,增加项目的成功机会。
 
1、匹配电路设计
 
在原理图设计时,需要在天线与模块射频输出管脚预留一个π型网络。天线的阻抗受 PCB 的铺地、天线的安装以及周围的金属等因素影响,预留这个网络是为了在天线严重偏离 50 欧姆阻抗时,将其匹配至 50 欧姆。
 
X1,X2,X3 都是电抗元件,如果天线是标准的 50 欧姆阻抗,那么 X2,X3 可以不焊接,X1 接 220PF 电容或者 0 欧姆电阻。在 PCB 设计时,这三个器件已经尽量靠近模块的射频输出脚,并且连接的传输线短且直。匹配元件的周围 1.5mm 区域内不要铺地,以减少寄生参数对匹配电路的影响。
 
图 2 匹配电路
 
2、微带线设计
在 PCB 设计时,由于大部分的天线与模块的输出阻抗是 50 欧姆,为了尽量减少在传输过程中能量的反射,射频输出管脚到天线之间的 PCB 引线应为 50 欧姆的微带线。常用的板材为 FR4(介电常数 4.2-4.6),根据经验,当线宽约为微带线距离参考层距离的 2.2 倍时,微带线的特征阻抗约为 50 欧姆。具体设计时,建议使用微带线阻抗控制工具(ADS、txline 等)来计算,并通过实际调试来完成微带线的设计。如下图所示,微带线下面的铺地层必须是完整的地,在微带线两侧需要多打接地过孔。
 
图 3 微带线
 
3、金属对天线的影响
如果天线附近有金属材料的物体时,金属能反射电磁波,不但会影响天线的实际使用空间,增加天线的损耗电阻,降低辐射效率,而且导致天线辐射性能的恶化。在安装天线时,要注意:
a:天线距离电池至少要有 5mm;
b:天线距离屏蔽壳至少要有 4mm;
c:在需要安装外壳的场合,不要在外壳表面使用具有金属成分的喷漆或者镀层。
 
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