【技术分享】深入解读无线通信中的天线②—PCB天线设计

ZLG致远电子 2023-02-21 11:38

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天线作为无线信号辐射和接收的重要器件，在无线通信中起着关键作用。天线究竟是如何实现信号从有线到无线的转换的？如何才能设计出一款性能优秀的天线？本系列文章带你深入了解。

PCB天线概述

什么是PCB天线？顾名思义，就是在PCB上印制了一根走线，可以将其画成直线走线，反转的F形走线，蛇形或圆形走线等，长度为四分之一波长就基本可以形成天线，将电信号辐射出去或接收信号。

设计指标

在上一期文章（深入解读无线通信中的天线① — 初识天线），我们介绍了天线的几个关键性能指标：增益、工作频段/带宽、驻波比/输入阻抗。本期我们参考这些关键参数，以广州致远电子股份有限公司推出的ZM602系列Wi-Fi模块为例，看看如何设计出一款性能优秀的PCB天线。

下表是我们本次天线设计的参数指标要求如下。

表1 天线参数设计指标

增益	>2.0dBi
工作带宽	＞150MHz
带宽内S11	<-10dB
输入阻抗	50Ω
VSWR（驻波比）	<2.0

天线模型

PCB天线最常见的结构是倒F天线，如下图所示。

图1 倒F天线模型

天线的长度需要符合传输信号的四分之一自由空间波长，才能达到发射和接收转换效率最高，同时更好产生较好输入阻抗。2.45GHz信号的自由空间波长为122.45mm，因此相应的天线长度约为30.6mm，该长度就是PCB天线中倒F部分（L）的长度。实际设计中，为了尽可能减小天线占用的空间，常常会设计成蛇形走线。天线的高度（H）、馈线与接地点的距离（S）以及蛇形走线的宽度这三项参数设计到具体的仿真调试，受篇幅影响，这里暂不展开说明。

图2 天线的蛇形走线

除了倒F部分的蛇形走线，天线还需要良好的接地面，才能实现信号的辐射和接收。接地面的长度要求和蛇形走线部分一样，为传输信号的四分之一自由空间波长，即30.6mm。考虑到产品的实际使用环境，无线模组的体积不能太大，因此本次设计中，我们将ZM602模组的整体尺寸设计为25*18mm，其中接地面的最大长度约为25mm（对角线）。由于接地面长度无法达到30.6mm的要求，天线性能受到一定影响。但若将ZM602模块焊接在测试底板或者客户底板上，即可借助底板的接地面，让天线发挥出最好的性能效果。

经过仿真软件的调整优化后，我们最终确定的天线模式尺寸如下。

图3 PCB天线完整模型

天线性能测试

现在，ZM602的PCB天线已经设计完成，那么这款天线的性能是否达到了我们的设计要求呢？我们在仿真软件中对天线进行仿真测试（带测试底板），以及对天线实物进行了实际测试，测试结果显示，天线各项参数均满足设计要求。

表2 天线参数测试结果

参数	设计指标	仿真结果	实测结果	是否达标
增益	>2.0dBi	2.4dBi	3.4dBi	是
工作频段	＞150MHz	2400~2600MHz	2400~2600MHz	是
带宽内S11	<-10dB	<-10dB	<-10dB	是
输入阻抗	50+J0	42+J10	37+J8	是
驻波比	<2.0	<2.0	<1.8	是