PCB天线

1.半波偶极子天线

偶极子天线(英语:Dipole antenna或doublet)是在无线电通信中,使用最早、结构最简单、应用最广泛的一类天线。它由一对对称放置的导体构成,导体相互靠近的两端分别与馈电线相连。

半波偶极子工作的频率范围约为3KHz至300GHz。这主要用于无线电接收机。

方向性:2.15db

输入阻抗:73.2欧姆

优点:

  • 输入阻抗不敏感。
  • 匹配传输线阻抗。

长度合理

天线的长度与尺寸和方向性相匹配。

2.单极子天线

单极天线是偶极子天线的一半。这种天线几乎总是高于安装 地平面。考虑天线的长度“L”。如果这种天线是放在一个无限以上 地平面,我们在下图所示的图片。

方向性:2.15db + 3db

输入阻抗:73.2 / 2欧姆

单极子天线是在偶极子天线的基础上发展而来的。最初偶极子天线有两个臂,每个臂长四分之一波长,方向图类似面包圈;研究人员利用镜像原理,在单臂下面加一块金属板,变得到了单极子天线。单极子天线很容易做成超宽带。至于其他方面的电性能,基本与偶极子天线相似。

单极子天线模型图

实际应用中的天线

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实际的天线长度不一定是1/4波长,而是在1/4波长附近。

原因是实际PCB板载天线会受到PCB板材的介质层以及天线折线之间的耦合作用影响。准确的长度以及大小需要在仿真软件里面设计以及实际测试结果为准。

3.倒F天线

倒F天线有单极子天线演变而来,在单极子天线倒L天线中,经过弯折的倒L天线,由于天线本体与基板GND距离接近,导致负载电容增加,输入阻抗变小,不易将天线匹配到50欧姆,为此为了补偿一些负载电感方面调整输入阻抗,发展出输入端并联接地的倒F天线。image-20210301171056615

如果在实际设计中,天线阻抗不匹配,可以调整馈入点(feed point)与短路点(short)之间的距离,使得阻抗接近于50欧姆左右。

倒F 天线的结构因为一边开路、一边短路,所以为一种四分之一波长的共振形天线。当馈入信号的波长为天线长度的四倍时,因天线上的电流分布满足一边电流最强、一边电流最弱边界条件,因此电流在天线上共振产生辐射。

倒F天线的设计

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天线的共振长度为H + LB + LF,其中 LB为馈入点与短路点(short pin)之间的距离,真空中天线的共振频率可以经由以下公式估算:

$$ f=\frac{C}{4(H+L_B+L_F)} $$

另外要注意的是,天线本体与基板(ground plane)之间的距离H 不可太小,此与天线的Q 值有关,天线的高度越高,则Q 值越小,阻抗频宽越大;反之,天线的高度如果越低,则Q 值越大,阻抗频宽越小。

4.单极子天线设计影响因素

天线工作频率的决定因素是天线的长度,由于PCB介质对天线的影响,实际存在两种波长,一种是自由空间的波长另一种是介质波长,所以实际天线会介于1/4介质波长和1/4自由空间波长之间。

其他影响因素:

  • PCB板材(FR4 Er=4.4)
  • PCB板厚
  • PCB板参考地平面的大小
  • 天线走线的宽度
  • 天线位置
  • 外壳
最后修改:2021 年 03 月 04 日 01 : 20 PM
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