板载PCB天线设计注意事项

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天线是各种智能设备都需要的重要部件,所有需要用到无线的设备都需要用到它。现在是无线时代,网络路由器都是无线WIFI,电脑,手机连网络再也不用网线连接了,还有蓝牙耳机,蓝牙鼠标,蓝牙键盘等等不再有电线了,这个天线的性能就至关重要了。

一般天线的选择有一些因素,除了考虑性能还要考虑成本,所以在选择天线的时候,需要综合考虑。今天上尉Shonway就给大家讲讲各种天线的设计及设计要点。

天线一般有以下几种,

第一种、PCB板载天线

这种天线成本低,但性能会稍微差一点。PCB板载天线也有几种形式。

a,平面倒F型天线,英文缩写即PIFA

如下图所示就是倒F的PCB板载天线

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图1

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图2

下面这个是上面平面倒F的PCB板载天线的变种,由于空间不够,扭曲一下。

此倒F天线PCB设计都有哪些需要注意的问题?我们首先要知道这个射频知识,Shonway以前出过一篇文章,对于射频,任何铜箔,导线都不能看成是简单的导线,他是由很多阻容电路组成的一种等效电路,你看到短路的,对于射频就不是短路。以这个思路我们看看这个倒F天线的PCB设计。如下图所示

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图3

这里有六点要注意

1、这个倒F天线,不是随便画的,网上有专门的这种天线的库,拿过来,按要求放上去就好。如果空间不够,那就是自己通过仿真自己制作了自己专用的天线了。原创今日头条:卧龙会IT技术

2、RF馈点这里引出来的线阻抗必须做到50ohm

3、接地馈点必须接地牢靠

4、地平面必须要多打地过孔,如上图所示,这个过孔间距多少合适的话,我们以前一篇卧龙会布布熊老师写过一篇文章,大家找一下可以看看

5、天线这里所有层铜箔必须净空。

6、天线必须放在PCB板的角落里,最好三面都是空的,如图2所示,上面三面都是空的

手机上的天线叫平面倒F天线,原理上是用一个平面接上一个接地平面馈点,与RF馈点组成,如下图4所示

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图4

上面图4从左下方RF馈点这个箭头看过去,就是一个倒F。同样是倒F结构,但手机中的天线采用的是平面结构,这个倒F天线就比PCB板载天线性能就会好很多,这样空间又比较少,成本又低,对于手机天线是最好的选择。

实际的天线如下图5所示

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图5

实际上这个平面对于不同手机有很多种形状,原理就是平面倒F结构,在这个平面上一个是接RF,一个是接地馈点就组成了平面倒F天线。

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图6

上图就是不同手机天线。他们的原理都是平面倒F天线,是不是长知识了,记得点赞。

b,倒L形PCB板载天线

如下图7所示,图8就是倒L形天线的变种,也是因空间不够,扭曲一下,以匹配频率

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图7

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图8

此倒L形的需要注意的问题跟前面的差不多不再说明,倒L型天线没有倒F型天线效果好一点,因为倒F天线有一个接地馈点,能有效调节频点。

市面上有不少PCB板载天线,主要是上面两种,还有一些如下面的图所示

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图9

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图10

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图11

有些是厂家自己通过仿真制作出来的。

第二种、贴片陶瓷天线

这种天线做成了贴片元件,如下图所示

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图12

这种天线一端是接RF,一端是接地。陶瓷天线原理,就是通过一根叫做“天线”的电极将天线与地之间形成的高频电场变成电磁波,从而能发射出去并传波到远方。

PCB最好的布局布线方式就是以下方式

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图13

把陶瓷贴片天线放板边,一边接地,一边连RF信号,下面所有层铜箔都掏空(白色框所示区域)这样四个方向,至少2个方向都是空的,对天线的效果很好,不要忘记接地铜箔都要打上接地过孔,打多一点。

第三种、棒状天线

此种天线如下图14所示,这种天线效果最好,它是置身于空间,辐射效果最好,但成本也是贵一点,占用的空间也大,这只能是露在机壳外面。

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图14

这种天线在PCB设计时要注意的问题

1、如果RF引线短,RF信号线下面所有层都要净空,如图15所示,如果引出线比较长,那还要控制一下这根引出线的阻抗,多层板的话,需要把他下面的第二层净空,其它层铺完整铜,然后隔层参考地做阻抗,(为什么要隔层参考,大家评论区发表一下意见)阻抗控制在50ohm.如图16所示。

2、附近的接地铜箔必须接地牢靠,也就是要多打地孔。

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图15

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图16

蓝牙天线设计之倒F型天线:

倒F型天线的天线体可以为线状或者片状,当使用介电常数较高的绝缘材料时还可以缩小蓝牙天线尺寸。作为板载天线的一种,倒F型天线设计成本低但增加了一定体积,在实际应用中是最常见的一种。天线一般放置在PCB顶层,铺地一般放在顶层并位于天线附近,但天线周围务必不能放置地,周围应是净空区。如下图:

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图1:倒F型天线设计示意图

蓝牙天线设计之曲流型天线设计:

曲流型天线的长度比较难确定。长度一般比四分之一波长稍长,其长度由其几何拓扑空间及敷地区决定。曲流型天线一般是PCB封装,即板载天线。和倒F型一样,天线一般放置在PCB顶层,铺地一般放在顶层并位于天线附近,但天线周围务必不能放置地,周围应是净空区。如图2,图3:

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图2:曲流型天线设计示意图1

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图3:曲流型天线设计示意图2

注:天线长度计算公式:

天线的长度(米)=(300/f)*0.25*0.96
其中f表示频率(MHz),0.96为波长缩短率
蓝牙天线长度约为300/2.4G*0.25*0.96 大约为31mm

蓝牙天线设计之陶瓷天线设计:

陶瓷天线是另外一种适合于蓝牙装置使用的小型化天线。陶瓷天线的种类分为块状陶瓷天线和多层陶瓷天线。由于陶瓷本身介电常数较PCB电路板高,所以使用陶瓷天线能有效缩小天线尺寸,在介电损耗方面,陶瓷介质也比PCB电路板的介电损失小,所以非常适合低耗电率的的蓝牙模块中使用。在PCB设计时,天线周围要净空就可以了,特别注意不能敷铜。如下图:

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图4:陶瓷天线设计示意图

蓝牙天线设计之2.4G棒状天线设计:

2.4G棒状蓝牙天线体积大,但传输距离要强于其他天线。在PCB设计时,天线周围也和上述的三种天线设计一样要净空。如下图:

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图5:2.4G棒状天线设计示意图

关于蓝牙天线设计的其它相关注意点:

1)天线的信号(频率大于400MHz以上)容易受到衰减,因此天线与附近的地的距离至少要大于三倍的线宽。
2)对于微带线与带状线来说,特征阻抗与板层的厚度、线宽、过孔以及板材的介电常数相关。
3)过孔会产生寄生电感,高频信号对此会产生非常大的衰减,所以走射频线的时候尽量不要有过孔。

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