物聯網設備天線設計與選型指南

目錄

1、天線原理

2、選型標準

2.1、回波損耗

2.2、帶寬

2.3、輻射效率

2.4、輻射圖型

2.5、增益

3、典型天線分析

3.1、蛇形倒 F 天線 (MIFA)

3.2、倒 F 天線 (IFA)

3.3、芯片天線

3.4、導線天線

4、天線快速選型指南

4.1、導線天線

4.2、PCB、導線天線

天線設計和射頻布局是無線系統中的關鍵組件，它負責發送和接收來自空中的電磁輻射。終端客戶從某個 RF 產品 (如電量有限的硬幣型電池) 獲得的無線射程主要取決于天線的設計、外殼以及良好的 PCB 布局。發射機 (TX) 和接收機 (RX) 上的無線系統的關鍵部件如下所示：

天線系統是無線通訊的重要組成部分，對于芯片和電源相同但布局和天線設計實踐不同的系統，良好的天線系統，能夠極大提高無線通訊效果，事半功倍。

1、天線原理

天線一般指的是裸露在空間內的導體。該導體的長度與信號波長成特定比例或整數倍時，它可作為天線使用。因為提供給天線的電能被發射到空間內，所以該條件被稱為“諧振”。對于天線的幾何形狀，有兩個非常重要的事項需要注意：

1、天線長度

2、天線饋電

在印刷電路板中，長度為λ/2 的天線被稱為偶極天線，該類天線導體的波長為λ/2，其中λ為電信號的波長。信號發生器通過一根傳輸線 (也稱為天線饋電) 在天線的中心點為其供電，按照這個長度，將在整個導線上形成電壓和電流駐波，如下圖所示：

輸入到天線的電能被轉換為電磁輻射，并以相應的頻率輻射到空中。該天線由天線饋電供電，饋電的特性阻抗為 50 Ω，并且輻射到特性阻抗為 377Ω2的空間中。

在印刷電路板中，大多作為天線使用的導體長度僅為λ/4，通過在導體下方一定距離的位置上放置接地層，可以創建與導體長度相同的鏡像 (λ/4)。被組合在一起時，這些引腳作為偶極天線使用。這種天線被稱為四分之一波長 (λ/4) 天線。PCB 上幾乎所有的天線都按銅制接地層上四分之一波長的尺寸實現，四分之一波長天線如下圖所示：

2、選型標準

天線的選擇取決于其應用、可用電路板的尺寸、成本、輻射范圍以及方向性等因素，下面簡要介紹天線性能的某些關鍵參數。

2.1、回波損耗

天線的回波損耗表示天線如何與阻抗為 50Ω的傳輸線 (TL) 實現匹配，將其顯示為下圖中的信號饋送。通常，這個 TL 的阻抗值為 50Ω，但也可以是其他數值。對于工業標準，商業天線和它的測試設備的電阻為50Ω，因此建議最好使用該值。

回波損耗顯示：由于不匹配，天線反射的入射功率大小 (公式如下所示)。一個理想的天線會發射全部功率，不會產生任何反射。

天線的回波損耗及反射功率如下表所示：

2.2、帶寬

是指天線的頻率響應。它表示在采用的整個頻帶上，例如在 BLE 應用的 2.40 GHz 至 2.48 GHz 的范圍內，該天線與 50 Ω 的傳輸線如何相互匹配。如下圖所示在 2.33 GHz 至 2.55 GHz 的帶寬上，回波損耗大于 10 dB。因此，采用的帶寬為 200 MHz 左右。 在大多數情況下，更寬的帶寬是首選，因為它可以最大限度地減少產品在實際使用中天線周圍環境變化引起的失諧效應

2.3、輻射效率

指的是非反射功耗中的一部分被消耗為天線中的熱量。產生熱量是由于 FR4 基板中的介電損耗以及銅線中的導體損耗造成的。該信息作為輻射效率。輻射效率為 100%時，全部非反射的功耗都被發射到空間內。對于小型的 PCB 外形因素，熱耗最小。

2.4、輻射圖型

該圖型表示輻射的方向性，即表示在哪個方向上的輻射更大，哪個方向上的輻射更小。這有助于在應用中準確地確定天線的方向。無方向性天線可以按與軸線相垂直的平面上所有方向進行等效發射。但大多數天線都達不到這個理想的性能。欲了解詳細說明，參見下圖所示的 PCB 天線的輻射圖。每個數據點都代表 RF 場強，可以通過接收器中用于接收信號強度的指示器 (RSSI) 進行測量。正如所料的情況，獲得的輪廓圖像并不是圓形的，因為該天線不是各向同性的。

2.5、增益

增益提供了所采用方向的輻射與各向同性天線 (即可從所有方向進行發射) 進行對比的信息。增益單位為 “dBi”，即表示在與一個理想的無方向性天線進行對比時輻射的場強。

3、典型天線分析

3.1、蛇形倒 F 天線 (MIFA)

MIFA 是一種普通的天線，被廣泛地使用在各個人機接口設備 (HID) 中，因為它占用的 PCB 空間較小。因此賽普拉斯已設計出一種結實的 MIFA 天線，而它能在較小的波形系數中提供優越的性能。該天線的尺寸為 7.2 mm × 11.1 mm (相當于 284 密耳×437 密耳)，因此它很適合于各種 HID 的應用，例如無線鼠標、鍵盤或演示機等。如下圖所示推薦的 MIFA 天線的詳細布局，其中包含了雙層 PCB 的頂層和底層。這種天線的跡線寬度均為 20 密耳。“W”的值是可改變的主要參數，它取決于 PCB 堆棧間隔，它表示 RF 走線 (傳輸線) 的寬度。

3.2、倒 F 天線 (IFA)

與 MIFA 相比，IFA 是一種輻射更好的天線。給定空間可用性 IFA 天線比 MIFA 天線更好。它有更好的效率。但與MIFA 相比，它需要更大的面積。IFA 推薦用于其中一個天線尺寸受限的應用，例如心率監測器。如下圖所示雙層 PCB 中推薦的 IFA (頂層和底層)的布局細節。跡線寬度為 24 密耳。IFA 的設計尺寸為 4 mm×20.5 mm (157.5 mils×807 mils)，用于厚度為 1.6 mm的 FR4 PCB。IFA 具有比 MIFA 更大的縱橫比 (寬高比)。

3.3、芯片天線

對于 PCB 尺寸非常小的應用，芯片天線不失為一種很好的辦法。它們是現成的天線，占用的 PCB 空間最小，并且能夠提供較好的性能。但芯片天線增加了物料 (BOM) 與裝配費用。因為這些事需要訂購和裝配的外部組件。通常，芯片天線的價格約為 10-50 美分，具體價格取決于尺寸和性能。

使用芯片天線時，也應考慮另一個關鍵因素：它受輻射接地面積的影響。所以，必須遵循廠家對接地面積的推薦。與PCB 天線不同，芯片天線不能通過改變天線長度來調整。另外需要一個匹配網絡才能調整該天線，因此會增加更多的物料成本。

3.4、導線天線

導線天線是四分之一波長導體的經典天線。它們固定在 PCB 上，但是從 PCB 平面升起并突出到接地層上的空間。由于它們作為 3D 天線暴露在空氣中，因此它們具有出色的射頻性能。它們具有最佳輻射范圍，并且具有最全面的等向性的輻射模式。對于需要小尺寸的 BLE 應用，它們不是首選，因為它們需要很大的空間和垂直高度。但是，如果空間無限制，就射頻范圍，方向性和輻射方向圖而言，它們可以用作最佳天線。通常，諸如插入墻上的智能家庭控制器的應用可以使用這種類型的天線。導線的形狀和尺寸需要針對特定的工業設計 (ID) 進行優化。導線可以根據外殼彎曲。應特別注意導線天線的制造，因為根據外殼形狀，導線天線也可以有不同的形狀。

導線天線是射頻性能最好的。與其他天線相比，它們具有最佳的天線效率和方向性。

4、天線快速選型指南

分享一波我個人學習工作過程中的總結，有更好方法的同志請在下發留言分享~

4.1、導線天線

4.2、PCB、導線天線

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