深入解讀無線通信中的天線②—PCB天線設計

天線作為無線信號輻射和接收的重要器件，在無線通信中起著關鍵作用。天線究竟是如何實現信號從有線到無線的轉換的?如何才能設計出一款性能優秀的天線?本系列文章帶你深入了解。

PCB天線概述

什么是PCB天線?顧名思義，就是在PCB上印制了一根走線，可以將其畫成直線走線，反轉的F形走線，蛇形或圓形走線等，長度為四分之一波長就基本可以形成天線，將電信號輻射出去或接收信號。

設計指標

在上一期文章(深入解讀無線通信中的天線① — 初識天線)，我們介紹了天線的幾個關鍵性能指標：增益、工作頻段/帶寬、駐波比/輸入阻抗。本期我們參考這些關鍵參數，以廣州致遠電子股份有限公司推出的ZM602系列Wi-Fi模塊為例，看看如何設計出一款性能優秀的PCB天線。

下表是我們本次天線設計的參數指標要求如下。

表1 天線參數設計指標

天線模型

PCB天線最常見的結構是倒F天線，如下圖所示。

圖1 倒F天線模型

天線的長度需要符合傳輸信號的四分之一自由空間波長，才能達到發射和接收轉換效率最高，同時更好產生較好輸入阻抗。2.45GHz信號的自由空間波長為122.45mm，因此相應的天線長度約為30.6mm，該長度就是PCB天線中倒F部分(L)的長度。實際設計中，為了盡可能減小天線占用的空間，常常會設計成蛇形走線。天線的高度(H)、饋線與接地點的距離(S)以及蛇形走線的寬度這三項參數設計到具體的仿真調試，受篇幅影響，這里暫不展開說明。

圖2 天線的蛇形走線

除了倒F部分的蛇形走線，天線還需要良好的接地面，才能實現信號的輻射和接收。接地面的長度要求和蛇形走線部分一樣，為傳輸信號的四分之一自由空間波長，即30.6mm?？紤]到產品的實際使用環境，無線模組的體積不能太大，因此本次設計中，我們將ZM602模組的整體尺寸設計為25*18mm，其中接地面的最大長度約為25mm(對角線)。由于接地面長度無法達到30.6mm的要求，天線性能受到一定影響。但若將ZM602模塊焊接在測試底板或者客戶底板上，即可借助底板的接地面，讓天線發揮出最好的性能效果。

經過仿真軟件的調整優化后，我們最終確定的天線模式尺寸如下。

圖3 PCB天線完整模型

天線性能測試

現在，ZM602的PCB天線已經設計完成，那么這款天線的性能是否達到了我們的設計要求呢?我們在仿真軟件中對天線進行仿真測試(帶測試底板)，以及對天線實物進行了實際測試，測試結果顯示，天線各項參數均滿足設計要求。

表2 天線參數測試結果

審核編輯：湯梓紅