板載天線設(shè)計(jì)入門啦

在無線通信中，天線可以說是最重要的器件之一，他主要負(fù)責(zé)將無線信號輻射到空間中。

現(xiàn)在是無線通信的時(shí)代，我們身邊的各種藍(lán)牙設(shè)備，手機(jī)，電腦，鼠標(biāo)，鍵盤等等都已經(jīng)不需要再接入網(wǎng)線連接了。而對于天線的選擇，不同的應(yīng)用則有不同的考量，而在消費(fèi)類電子，智能硬件領(lǐng)域，我們通常會(huì)選擇成本低廉的板載天線。由于我們通常的手持設(shè)備和智能穿戴設(shè)備上使用到的wifi，藍(lán)牙都屬于2.4GHz頻段，所以他們的天線長度比較短，因此很容易直接設(shè)計(jì)在PCB板上，這樣只需要注意阻抗控制，就可以讓天線的成本幾乎為0。下面我們來看兩種板載天線。

1. 倒L型板載天線

上圖就是倒L型天線，倒L型板載天線是由半波偶極子天線演變過來的，如下圖所示：

設(shè)計(jì)產(chǎn)品的時(shí)候，有時(shí)候空間是有限制的，所以就這就要無限壓縮我們的空間，那么這樣的結(jié)果就是，G不斷減小。圓圖和S參數(shù)圖的現(xiàn)象是因?yàn)樘炀€臂和地平面產(chǎn)生一個(gè)耦合。G越小，電容效應(yīng)就越大，因?yàn)長這條線和地平面離得近了，想想電容的公式。所以我們常常在設(shè)計(jì)的時(shí)候，在靠近L型天線饋電的位置并聯(lián)一個(gè)電感，將我們的天線中心頻點(diǎn)阻抗朝著50歐姆去靠。如果我們覺得倒L天線長度太長，占用PCB面積，可以將饋線彎曲走線，如下圖所示：

2. 倒F型板載天線

倒F型天線是由倒L型天線演變而來的，看下圖的演變過程：

在射頻電路中，任何的銅箔，導(dǎo)線都不能再簡單的看作為導(dǎo)線，他們在高頻信號看來，他們是由很多電阻電容電感組成的一種等效電路。因此，在射頻電路中，一個(gè)短路并不能被看做一個(gè)短路，這個(gè)短路導(dǎo)線實(shí)際上已經(jīng)是一個(gè)電感的特性了。在倒L型天線中提過，為了調(diào)節(jié)天線震動(dòng)的中心頻點(diǎn)，我們會(huì)在射頻輸出點(diǎn)增加一個(gè)并聯(lián)電感來微調(diào)，使得中心頻點(diǎn)阻抗接近50Ω。現(xiàn)在我們通過一個(gè)對地短接線，完成了這個(gè)電感的等效！這種天線是由于其形狀像是一個(gè)趴著的F字母而得名，后來由于空間限制，同樣可以把較長的饋線彎曲走線，從而減小占用面積，就出現(xiàn)了下面這樣的變種倒F天線。

在射頻電路中，任何的銅箔，導(dǎo)線都不能再簡單的看作為導(dǎo)線，他們在高頻信號看來，他們是由很多電阻電容電感組成的一種等效電路。

C = 真空光速 F = 電磁波頻率，倒F天線屬于共振原理，接地目的是增加諧振阻抗，達(dá)到50Ω。它的等效電路如下，看到那個(gè)并聯(lián)的電感了嗎？

天線表面上看是短路，放在射頻頻段來看就不是短路了，它包含了電阻，電容以及電感部分。我們沿著這個(gè)思路具體看一下，這樣的倒F天線，在PCB設(shè)計(jì)的時(shí)候，都有哪些需要注意的問題呢？

天線的長度不是隨便畫的，為了最小化設(shè)計(jì)，它的長度一般是射頻載波的1/4波長，如果是自己設(shè)計(jì)的話，最好是使用仿真工具仿真一下。RF饋點(diǎn)這里引出來的線對接地的阻抗必須做到50Ω。接地饋點(diǎn)必須要足夠可靠的接地。地平面必須要有足夠多的過孔。天線附近以及它對應(yīng)的其它層的銅箔必須凈空，防止銅皮阻礙天線輻射信號，這根天線對其他銅箔之間的寄生電容很大。天線必須放在PCB板的角落，三面皆空。

三. 平面倒F天線

還有一種倒F天線的變種叫平面倒F天線，天線是一個(gè)立體的東西，所以我們立起來看就明白，F(xiàn)是怎么來的，只要找對一個(gè)接地饋點(diǎn)和一個(gè)射頻饋點(diǎn)，其余部分都是饋線的等效部分。

從上圖可以看到，從左下方的RF饋點(diǎn)看過去，就是一個(gè)倒F形狀，只不過饋線變成了一個(gè)平面。同樣是倒F結(jié)構(gòu)，這種平面結(jié)構(gòu)的天線要比板載線性天線的性能好很多。很多高性能的天線會(huì)采用這種方式，尤其是手機(jī)上面，為了更加節(jié)省PCB的面積，通常這個(gè)天線被設(shè)計(jì)成一個(gè)金屬鉑片，然后在PCB上設(shè)計(jì)兩個(gè)接觸點(diǎn)。

雖然，這個(gè)平面在不同的手機(jī)中形狀各不相同，但它的原理就是平面倒F結(jié)構(gòu)，在這個(gè)結(jié)構(gòu)件中，你總能找到兩個(gè)點(diǎn)和PCB相連接，一個(gè)是接RF，一個(gè)接地平面。