PCB天線知識

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PCB天線知識

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首先看下關(guān)于天線的資料。

一、天線

       1.什么是天線？

       天線是一種用來發(fā)送或者接收電磁波的器件。

       2.天線的作用

       發(fā)射天線的作用是將發(fā)射機(jī)的高頻電流（或波導(dǎo)系統(tǒng)中的導(dǎo)行波）的能量有效地轉(zhuǎn)換成空間的電磁能量。而接收天線的作用則恰恰相反，因此天線實(shí)際上是一個(gè)換能器。

      3.天線的理論基礎(chǔ)

      由麥克斯韋的電磁場理論，變化的電場產(chǎn)生變化的磁場，而變化的磁場又產(chǎn)生變化的電場，這樣就產(chǎn)生了電磁波。


      4.天線輻射

      要產(chǎn)生輻射就必須有一個(gè)時(shí)變的電流或者具有加速度的電荷。為了使電荷產(chǎn)生加速度，必須使導(dǎo)線彎曲或者使其成V形，還可將其表面制成非連續(xù)性或者使其具有終端。加入電荷在導(dǎo)線內(nèi)作勻速運(yùn)動(dòng)，如果導(dǎo)線筆直無限長，就不會(huì)有輻射；如果導(dǎo)線被彎曲或者被制成V形，使其具有終點(diǎn)或?qū)⑵浣財(cái)啵�以及將其表面制成非連續(xù)型都將產(chǎn)生輻射。假如電荷在瞬時(shí)狀態(tài)下振動(dòng)，即便導(dǎo)線是筆直的也將產(chǎn)生輻射。

  
       5.天線工作原理

       導(dǎo)線載有交變電流時(shí)，就可以形成電磁波的輻射，輻射的能力與導(dǎo)線的長短和形狀有關(guān)；當(dāng)導(dǎo)線長度增大到可與波長相比擬時(shí)，導(dǎo)線上電流大大的增加，因而就能形成較強(qiáng)的輻射。通常將上述能產(chǎn)生顯著輻射的直導(dǎo)線成為振子。


      6.

       導(dǎo)體的波長為λ/2，其中λ為電信號的波長。信號發(fā)生器通過一根傳輸線（也稱為天線饋電）在天線的中心點(diǎn)為其供電。按照這個(gè)長度，將在整個(gè)導(dǎo)線上形成電壓和電流駐波，輸入到天線的電能被轉(zhuǎn)換為電磁輻射，并以相應(yīng)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50R，并且輻射到特性阻抗為377R的空間中。長度為λ/2的天線被稱為偶極天線。但在印刷電路板中，大多作為天線使用的導(dǎo)體長度僅為λ/4，但仍具有相同的性能。

       通過在導(dǎo)體下方一定距離的位置上放置接地層，可以創(chuàng)建與導(dǎo)體長度相同的鏡像(λ/4)。被組合在一起時(shí)，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(shí)現(xiàn)。請注意，該信號現(xiàn)在是單端饋電，同時(shí)接地層作為返回路徑使用。

對于大多數(shù)PCB中使用的四分之一波長天線，需要特別注意：

1. 天線長度

2. 天線饋電

3. 接地層和回流路徑的形狀和尺寸

天線類型

如前部分所述，在自由空間中裸露的波長為λ/4的所有導(dǎo)體被放在一個(gè)接地層上，并為其提供合適的電壓，那么該導(dǎo)體可以作為一個(gè)天線使用。根據(jù)不同的波長，天線可能與汽車的FM天線一樣長，也可能與信號浮標(biāo)上的走線一樣短。對于2.4GHz的應(yīng)用，大部分PCB天線都屬于下面的類型：

1.導(dǎo)線天線：這是在PCB上延長到自由空間中的一段導(dǎo)線，它的長度為λ/4，并被放置在接地層上。這種天線是由50Ω阻抗的傳輸線供電的。通常，該導(dǎo)線天線提供的性能和輻射范圍最好。該導(dǎo)線可以是直線、螺旋或是回路的。它是一個(gè)三維(3D)的結(jié)構(gòu)，其中天線高出PCB4-5mm，并伸出到空間內(nèi)。

      2. PCB天線：它是PCB上的一根PCB走線，并且可以將其畫成直線形走線、反轉(zhuǎn)的F形走線、蛇形或圓形走線等。在一個(gè)PCB天線中，與導(dǎo)線天線不同的是，該天線沒有被露到外部空間內(nèi)，而是在同一個(gè)PCB層上以二維(2D)結(jié)構(gòu)形式存在。

當(dāng)裸露到空間外的3D天線被放置到PCB層上作為2D的PCB走線時(shí)，必須遵循一定的指南。一般情況下，與導(dǎo)線天線相比，它需要的PCB空間更大，效率也低，但成本低，并且可以給BLE應(yīng)用提供可接收的無線距離。


      3.芯片天線：這是一種帶有導(dǎo)體的天線，天線和導(dǎo)體都被組裝在小型的IC封裝中。當(dāng)天線被封裝在很小的尺寸內(nèi)時(shí)，它會(huì)變得很有優(yōu)勢。天線USB的納米收發(fā)器等應(yīng)用會(huì)使用這種天線，當(dāng)PCB上沒有足夠的空間來布局PCB天線時(shí)。有關(guān)芯片天線的信息，。


    賽普拉斯推薦使用IFA和MIFA這兩種PCB天線。BLE應(yīng)用中的低速率和典型的輻射圍范使這兩種天線特別有用。這些天線既便宜又容易設(shè)計(jì)，這是因?yàn)樗鼈兪荘CB的組成部分，并且能夠在150至250MHz的頻段范圍內(nèi)提供良好的性能。

建議將MIFA天線使用在僅需極小的PCB空間的應(yīng)用中，如無線鼠標(biāo)、鍵盤、演示機(jī)等等。對于IFA天線，建議將其應(yīng)用在要求天線一側(cè)的尺寸遠(yuǎn)小于另一側(cè)的尺寸的應(yīng)用中，如心率監(jiān)視器。大多數(shù)BLE應(yīng)用中使用的是MIFA天線。下面各節(jié)將詳細(xì)介紹每種天線的信息。

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(gè)人機(jī)接口設(shè)備(HID)中，因?yàn)樗�占用的PCB空間較小。因此賽普拉斯已設(shè)計(jì)出一種結(jié)實(shí)的MIFA天線，而它能在較小的波形系數(shù)中提供優(yōu)越的性能。該天線的尺寸為7.2mm×11.1mm(相當(dāng)于284密耳×437密耳)，因此它很適合于各種HID的應(yīng)用，例如無線鼠標(biāo)、鍵盤或演示機(jī)等。


二、極化天線

     所謂極化就是導(dǎo)體或物體在電場力的作用下產(chǎn)生帶電，這種帶電是極化帶電，即：導(dǎo)體或物體的一端帶正電，而另一端帶負(fù)電。一般地說，導(dǎo)體或物體被極化帶電，只是兩端帶電，而中心點(diǎn)是不帶電的。

以上是關(guān)于天線和PCB天線的一些知識。

    實(shí)際畫圖布板過程中，如果有出現(xiàn)比較大的弧形走線，如果走線被地包圍，一般也不會(huì)出現(xiàn)被干擾或干擾其他線路。但是，一般而言環(huán)形線在一定情況下會(huì)相當(dāng)于環(huán)形天線,既可以接受電磁能量,也可以發(fā)射電磁能量,這樣就容易造成干擾和被干擾得問題,而且其對電磁能量的接受和發(fā)射能力與環(huán)路面積有關(guān),所以通常都要求盡量減小共模信號與地構(gòu)成的環(huán)路面積.