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(xiàn)信號從有線到無線的轉換的？如何才能設計出一款性能優(yōu)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(shù)，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(yōu)秀的PCB天線。

下表是我們本次天線設計的參數(shù)指標要求如下。 

表1 天線參數(shù)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(fā)射和接收轉換效率最高，同時更好產(chǎn)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(shù)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(xiàn)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(chǎn)品的實際使用環(huán)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(fā)揮出最好的性能效果。

經(jīng)過仿真軟件的調整優(yōu)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(xiàn)在，ZM602的PCB天線已經(jīng)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(shù)均滿足設計要求。

表2 天線參數(shù)測試結果