如何像專業人士一樣設計 PCB 天線?

Ryan 是 MOKO 的高級電子工程師, 在這個行業有十多年的經驗. 專業從事PCB版圖設計, 電子設計, 和嵌入式設計, 他為不同領域的客戶提供電子設計和開發服務, 來自物聯網, 引領, 消費電子產品, 醫療等.
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如何像專業人士一樣設計 PCB 天線

天線在任何無線系統中都起著至關重要的作用, 用於發送和接收攜帶數據的電磁信號. 隨著電子產品不斷變得更小, 工程師們開發出了巧妙的天線設計,可以直接集成到印刷電路板上. 稱為 PCB 天線, 與傳統的突出天線相比,這些緊湊型天線具有許多優點. 這甚至可能嗎, 我們將深入探討 PCB 天線的基礎知識, 完成設計過程, 並探索佈局指南,以便您可以像專業人士一樣設計 PCB 天線!

什麼是 PCB 天線?

PCB天線, 或印刷電路板天線, 是直接集成到的天線 PCB板. 將天線直接印刷到電路板上, PCB 天線無需外部天線結構, 節省空間, 降低裝配成本, 並啟用時尚, 低調產品. 那麼 PCB 天線到底是如何工作的呢?? PCB 天線的工作原理與其他類型的天線相同. 導電的 PCB 上的走線 充當將電流轉換為電磁波的輻射元件. 這些跡線的形狀和佈局決定了天線輻射方向圖.

PCB 上的天線類型

  • 單極天線

單極天線簡單且易於實現, 它們通常用於藍牙和 Wi-Fi 等低頻應用.

單極天線

  • 貼片天線

非常適合較高頻率, 貼片天線常用於 GPS 模塊和無線通信系統.

  • 倒F型天線(如果一個)

緊湊且多功能的選擇, IFA因其優異的性能而常被應用於智能手機和可穿戴設備中.

  • 偶極天線

提供雙向輻射方向圖, 偶極天線適用於某些無線通信系統.

  • 環形天線

環形天線是一種簡單且廣泛使用的 PCB 設計, 作為接收器很有價值, 特別適用於無線電測向 (RDF) 根據發射機的方向圖來定位發射機.

環形天線

  • 縫隙天線

縫隙天線因其獨特的設計而得名, 其中涉及帶有多個槽或切口的金屬板. 它們通常用於飛機雷達和相控陣等應用.

基本的 成功 PCB 天線設計和佈局的步驟

 

  1. 定義您的要求和目標

確定頻率範圍, 數據速率, 覆蓋區域, 以及任何其他相關規範. 此外, 考慮溫度等環境因素, 濕度, 以及可能影響天線性能的干擾源.

  1. 為您的應用選擇正確的天線類型

選擇天線類型時需要考慮多種因素,例如工作頻率, 輻射方向圖要求, 和物理限制. 每種天線類型都有其優點和局限性, 考慮您的具體應用需求並選擇最符合您要求的天線類型.

  1. 利用工具和軟件進行 PCB 天線設計

現代設計工具和仿真軟件在優化天線性能方面發揮著關鍵作用. 利用計算機輔助設計等工具 (電腦輔助設計) 軟件和 電磁仿真軟件 對您的天線設計進行建模和仿真. 這些工具可讓您可視化輻射方向圖, 分析阻抗匹配, 並評估天線的整體性能. 通過利用模擬, 您可以做出明智的設計決策,並避免在物理原型階段出現代價高昂的錯誤.

PCB 天線設計和佈局

  1. 優化 PCB 材料選擇以提高天線性能

的選擇 線路板材料 會顯著影響天線的性能. PCB材料的介電常數和損耗角正切影響阻抗匹配和輻射效率. 較高的介電常數可以增加天線的物理尺寸, 而較高的損耗角正切會導致信號傳播減少. 選擇介電常數適合您的工作頻率的 PCB 材料, 並保持損耗角正切盡可能低,以最大限度地減少信號損失.

  1. 確保有效的接地平面設計以改善輻射模式

精心設計的接地層對於 PCB 天線的正常運行至關重要. 接地平面充當天線輻射的參考點, 它的大小和形狀影響輻射方向圖. 適用於單極和倒 F 天線, 接地層作為天線的第二個元件. 確保接地層足夠大,可以為返回電流提供低阻抗路徑. 低電阻和低電感的接地層有助於實現更好的輻射模式並降低 EMI.

  1. 小心放置天線和附近的組件

天線在 PCB 上的物理放置位置會影響其性能. 避免將天線放置在金屬物體附近, 其他高頻成分, 或乾擾源. 金屬屏蔽等部件, 連接器, 大電容器可以改變天線的輻射方向圖和阻抗.

  1. 考慮信號走線和射頻

PCB 上信號走線的佈線, 特別是高頻痕跡, 會影響天線性能. 避免信號走線距離天線太近, 因為它可能導致天線耦合和失諧. 使用正確的射頻設計技術, 例如受控阻抗走線和微帶/帶狀線佈線, 確保信號完整性並最大限度地減少損失.

  1. 實施阻抗匹配技術以提高效率

阻抗匹配對於最大限度地提高從射頻電路到天線的功率傳輸至關重要. 適當的阻抗匹配可確保天線有效輻射射頻能量. L 截面匹配網絡等技術, 四分之一波變壓器, 或者可以使用串聯電容來實現阻抗匹配. 模擬和測試對於微調匹配網絡以實現最佳性能至關重要.

  1. 調整和測試 PCB 天線以獲得最佳性能

對物理原型進行實際測試以驗證性能. 使用網絡分析儀或頻譜分析儀測量天線的回波損耗, 輻射方向圖, 並獲得. 根據測試結果對設計進行迭代調整,以達到期望的規格.

  1. 減輕電磁干擾 (電磁干擾) 問題

EMI 會對天線性能和整體電路運行產生不利影響. 降低電磁干擾, 結合適當的屏蔽和過濾技術. 屏蔽敏感電路免受外部干擾源的影響,並最大限度地減少天線產生的意外電磁輻射. 適當的濾波還有助於降低噪聲並提高信號質量.

更好的建議 PCB天線設計

除了最初的天線設計, 有多種方法可以提高 PCB 天線的效率和優化輸出. 其中一些技術包括:

  • 實施匹配網絡: 在調諧過程中加入匹配網絡有助於補償可能影響天線整體性能的因素.
  • 選擇合適的地平面: 選擇正確的接地層對於避免信號之間的串擾至關重要. 並且公認將天線放置在 PCB 邊緣是一個不錯的選擇
  • 避免使用金屬外殼: 防止信號中斷, 重要的是不要將天線包裹在金屬中. 信號無法通過金屬傳播, 將天線封裝在此類材料中可能會導致干擾.
  • 遠離塑料表面的位置: 將天線放置在塑料表面附近可能會對其性能產生負面影響. 塑料的介電常數比空氣高, 導致信號衰減和損失. 這增加了天線的電氣長度並降低了其輻射頻率.
  • 選擇高品質 FR4 電路板: 保持最佳射頻性能, 建議使用高品質FR4電路板. 這些板可以幫助避免射頻信號可能出現的問題.

PCB 天線顯然已成為在小型產品中實現無線功能的關鍵技術. 遵循本博客中概述的指南, 你會設計得很小, 立即像專業人士一樣強大的 PCB 天線. 或者你可以 聯繫我們的專家, 他們很樂意討論更多細節並為您的特定項目需求提供指導.

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