PCB天线知识

瑞兴诺PCB

PCB天线知识

（ 以下文字均从网络转载，欢迎大家补充，指正。）

首先看下关于天线的资料。

一、天线

       1.什么是天线？

       天线是一种用来发送或者接收电磁波的器件。

       2.天线的作用

       发射天线的作用是将发射机的高频电流（或波导系统中的导行波）的能量有效地转换成空间的电磁能量。而接收天线的作用则恰恰相反，因此天线实际上是一个换能器。

      3.天线的理论基础

      由麦克斯韦的电磁场理论，变化的电场产生变化的磁场，而变化的磁场又产生变化的电场，这样就产生了电磁波。


      4.天线辐射

      要产生辐射就必须有一个时变的电流或者具有加速度的电荷。为了使电荷产生加速度，必须使导线弯曲或者使其成V形，还可将其表面制成非连续性或者使其具有终端。加入电荷在导线内作匀速运动，如果导线笔直无限长，就不会有辐射；如果导线被弯曲或者被制成V形，使其具有终点或将其截断，以及将其表面制成非连续型都将产生辐射。假如电荷在瞬时状态下振动，即便导线是笔直的也将产生辐射。

  
       5.天线工作原理

       导线载有交变电流时，就可以形成电磁波的辐射，辐射的能力与导线的长短和形状有关；当导线长度增大到可与波长相比拟时，导线上电流大大的增加，因而就能形成较强的辐射。通常将上述能产生显著辐射的直导线成为振子。


      6.

       导体的波长为λ/2，其中λ为电信号的波长。信号发生器通过一根传输线（也称为天线馈电）在天线的中心点为其供电。按照这个长度，将在整个导线上形成电压和电流驻波，输入到天线的电能被转换为电磁辐射，并以相应的频率辐射到空中。该天线由天线馈电供电，馈电的特性阻抗为50R，并且辐射到特性阻抗为377R的空间中。长度为λ/2的天线被称为偶极天线。但在印刷电路板中，大多作为天线使用的导体长度仅为λ/4，但仍具有相同的性能。

       通过在导体下方一定距离的位置上放置接地层，可以创建与导体长度相同的镜像(λ/4)。被组合在一起时，这些引脚作为偶极天线使用。这种天线被称为四分之一波长(λ/4)天线。PCB上几乎所有的天线都按铜制接地层上四分之一波长的尺寸实现。请注意，该信号现在是单端馈电，同时接地层作为返回路径使用。

对于大多数PCB中使用的四分之一波长天线，需要特别注意：

1. 天线长度

2. 天线馈电

3. 接地层和回流路径的形状和尺寸

天线类型

如前部分所述，在自由空间中裸露的波长为λ/4的所有导体被放在一个接地层上，并为其提供合适的电压，那么该导体可以作为一个天线使用。根据不同的波长，天线可能与汽车的FM天线一样长，也可能与信号浮标上的走线一样短。对于2.4GHz的应用，大部分PCB天线都属于下面的类型：

1.导线天线：这是在PCB上延长到自由空间中的一段导线，它的长度为λ/4，并被放置在接地层上。这种天线是由50Ω阻抗的传输线供电的。通常，该导线天线提供的性能和辐射范围最好。该导线可以是直线、螺旋或是回路的。它是一个三维(3D)的结构，其中天线高出PCB4-5mm，并伸出到空间内。

      2. PCB天线：它是PCB上的一根PCB走线，并且可以将其画成直线形走线、反转的F形走线、蛇形或圆形走线等。在一个PCB天线中，与导线天线不同的是，该天线没有被露到外部空间内，而是在同一个PCB层上以二维(2D)结构形式存在。

当裸露到空间外的3D天线被放置到PCB层上作为2D的PCB走线时，必须遵循一定的指南。一般情况下，与导线天线相比，它需要的PCB空间更大，效率也低，但成本低，并且可以给BLE应用提供可接收的无线距离。


      3.芯片天线：这是一种带有导体的天线，天线和导体都被组装在小型的IC封装中。当天线被封装在很小的尺寸内时，它会变得很有优势。天线USB的纳米收发器等应用会使用这种天线，当PCB上没有足够的空间来布局PCB天线时。有关芯片天线的信息，。


    赛普拉斯推荐使用IFA和MIFA这两种PCB天线。BLE应用中的低速率和典型的辐射围范使这两种天线特别有用。这些天线既便宜又容易设计，这是因为它们是PCB的组成部分，并且能够在150至250MHz的频段范围内提供良好的性能。

建议将MIFA天线使用在仅需极小的PCB空间的应用中，如无线鼠标、键盘、演示机等等。对于IFA天线，建议将其应用在要求天线一侧的尺寸远小于另一侧的尺寸的应用中，如心率监视器。大多数BLE应用中使用的是MIFA天线。下面各节将详细介绍每种天线的信息。

蛇形倒F天线(MIFA)

MIFA是一种普通的天线，被广泛地使用在各个人机接口设备(HID)中，因为它占用的PCB空间较小。因此赛普拉斯已设计出一种结实的MIFA天线，而它能在较小的波形系数中提供优越的性能。该天线的尺寸为7.2mm×11.1mm(相当于284密耳×437密耳)，因此它很适合于各种HID的应用，例如无线鼠标、键盘或演示机等。


二、极化天线

     所谓极化就是导体或物体在电场力的作用下产生带电，这种带电是极化带电，即：导体或物体的一端带正电，而另一端带负电。一般地说，导体或物体被极化带电，只是两端带电，而中心点是不带电的。

以上是关于天线和PCB天线的一些知识。

    实际画图布板过程中，如果有出现比较大的弧形走线，如果走线被地包围，一般也不会出现被干扰或干扰其他线路。但是，一般而言环形线在一定情况下会相当于环形天线,既可以接受电磁能量,也可以发射电磁能量,这样就容易造成干扰和被干扰得问题,而且其对电磁能量的接受和发射能力与环路面积有关,所以通常都要求尽量减小共模信号与地构成的环路面积.