PCB 天線設計：類型、原理與最佳實踐

在這個被無線通訊環繞的世界中，對於小巧、廉價且可靠的天線需求從未如此之高。天線是電磁波的應用。關於天線有許多理論和實作，但只有少數獲得認可。對於無線數據傳輸，一個解決方案可以是使用印刷電路板（PCB）天線。使用 PCB 天線代表了一種方便的解決方案，可將其直接整合到電子設備中，從而消除了對笨重外部天線的需求。無論您的天線是作為印刷元件放置還是從貨架上取下，對 PCB 設計師來說，深入了解天線的工作原理都很重要。在本文中，我們將介紹天線背後的一些主要概念，以便工程師了解如何設計、選擇和放置天線。

設計良好的天線可確保無線產品達到最佳的操作距離。它能從無線電傳輸的功率越多，在給定的封包錯誤率（PER）和接收器靈敏度下，能覆蓋的距離就越大。同樣地，在接收端，調校良好的無線電可以在天線接收到最小輻射入射的情況下工作。RF 佈局以及

無線電匹配網路需要妥善設計，以確保大部分來自無線電的功率能到達天線，反之亦然。

PCB 天線基礎理論：

天線是互易性元件，它們在提供電壓和電流時會發射電磁波，或者接收電磁波並將其轉換為電壓和電流。天線基本上是一個暴露在空間中的導體。如果導體的長度是信號波長的某個特定比率或倍數，它就成為一個天線。這種情況稱為「諧振」，因為饋入天線的電能被輻射到自由空間中，導體的長度為 λ/2，其中 λ 是電信號的波長。天線由具有特定阻抗（例如 50 Ω）的天線饋線饋電，並傳輸到阻抗為 377 Ω 的自由空間。因此，天線幾何形狀有兩個最重要的考量因素：

1. 天線長度

2. 天線饋線

天線可以根據其幾何形狀設計來接收電場或磁場。最簡單的天線是特定長度的單根導線。磁性天線使用導線迴路，系統中的發射器/接收器元件就像一個負載，構成包含環形天線的完整電路。

天線類型：

任何長度為 λ/4 的導體，暴露在自由空間中、位於接地平面上方並具有適當的饋線，都可以成為有效的天線。根據波長的不同，天線可以像汽車的 FM 天線一樣長，也可以像信標上的微小走線一樣短。對於 2.4 GHz 的應用，大多數 PCB 天線屬於以下類型：

1. 導線天線： 這是一段在 PCB 上方自由空間中延伸的導線，其長度與接地平面上方的 λ/4 相匹配。這通常由 50-Ω 傳輸線饋電。由於其尺寸和三維暴露特性，導線天線提供了最佳的性能和 RF 範圍。導線可以是直線、螺旋線或環形。這是一種三維（3D）結構，天線位於 PCB 平面上方 4-5 毫米的高度，突出到空間中。

2. PCB 天線：這是在 PCB 上繪製的走線。這可以是直線走線、倒 F 型走線、曲折走線、圓形走線，或是根據天線類型和空間限制帶有彎曲的曲線。在 PCB 天線中，天線變成與 PCB 同一平面上的二維（2D）結構。將暴露在自由空間中的 3D 天線轉化為 PCB 平面上的 2D PCB 走線時，必須遵循一些指導方針。PCB 天線需要更多的 PCB 面積，效率低於導線天線，但更便宜。它易於製造，並且具有 BLE 應用可接受的無線範圍。

3. 晶片天線：這是一種小型封裝 IC 中的天線，內部封裝有導體。當空間有限，無法印刷 PCB 天線或支援 3D 導線天線時，這非常有用。

天線參數：

回波損耗：天線的回波損耗表示天線與 50-Ω 傳輸線（TL）的匹配程度。TL 特性阻抗通常是 50 Ω，儘管也可能是其他值。商業天線和測試設備的行業標準是 50-Ω 阻抗，因此使用這個值最為方便。回波損耗表示由於不匹配，有多少入射功率被天線反射回來。一個理想的天線，在完美匹配時，將輻射全部能量而不產生任何反射。

如果回波損耗為無窮大，則表示天線與 TL 完美匹配。在大多數情況下，回波損耗 ≥ 10 dB 被認為是足夠的。10 dB 的回波損耗表示 90% 的入射功率進入天線進行輻射。

頻寬：頻寬表示天線的頻率響應。它表示天線在整個感興趣的頻帶內（例如，對於 BLE 應用，在 2.40 GHz 到 2.48 GHz 之間）與 50-Ω 傳輸線的匹配程度。

輻射效率：一部分未被反射的功率會以熱量或熱損耗的形式在天線中消散。熱損耗是由於 FR4 基板中的介電損耗和銅走線中的導體損耗造成的。此資訊被表徵為輻射效率。100% 的輻射效率表示所有未被反射的功率都輻射到自由空間。對於小型 PCB，熱損耗很小。

輻射場型：輻射場型表示輻射的方向特性，即哪些方向輻射較多，哪些方向輻射較少。此資訊有助於在應用中正確定向天線。

增益：增益表示在感興趣的方向上的輻射，與均勻向所有方向輻射的等向性天線相比。這以 dBi 表示——即與理想的等向性天線相比，輻射場有多強。

天線的物理設計：

天線設計師的目標，無論是在 PCB 上還是作為外部元件整合，都是定義天線的幾何形狀，以滿足某些特定的操作目標：

• 高輻射效率
• 沿饋線和前端低損耗
• 方向性（輻射場型）
• 饋線匹配
• 足夠的頻寬

天線的物理設計及其在 PCB 中的放置將決定上述所有操作特性。用於天線設計的場求解器可以透過兩種方式使用：在頻域中確定天線本體中的電壓和電流分佈（使用矩量法或邊界元素法），或確定天線周圍輻射的電磁場。

一旦確定了天線周圍的電磁場，就可以使用軟體來確定輻射場型和輻射效率。天線的場求解器通常在頻域中操作，因此這些值可以繪製為頻率的函數。這然後讓設計師能夠確定天線的發射頻寬。

曲折倒 F 型天線（MIFA）：

MIFA 因其小巧的尺寸和高效的性能，成為人機介面裝置（HID）中廣泛使用的天線。Cypress 開發了一種穩健的 MIFA，在小封裝中提供了卓越的性能。

• 尺寸：7.2 毫米 × 11.1 毫米（284 密耳 × 437 密耳）
• 適用於：無線滑鼠、鍵盤、簡報器和其他 HID 應用
• 設計：天線走線寬度全為 20 密耳。可能根據 PCB 疊層間距而變化的主要參數是 RF 走線（傳輸線）的寬度（W）。

天線調諧與匹配：

天線調諧確保在所需頻帶內，從晶片輸出端向天線測量時，回波損耗大於 10 dB。此過程對於發射和接收中的高效功率傳輸至關重要。透過我們關於此主題的近期部落格，了解更多關於i阻抗匹配的資訊。

• 發射模式：回波損耗大於 10 dB 確保晶片輸出的 90% 功率傳輸到天線。
• 接收模式：在看向無線電時應遵循相同的調諧程序，以確保阻抗為 50 Ω。這保證了 90% 的接收功率傳輸到無線電。

由於天線調諧和無線電調諧都涉及優化阻抗匹配，因此它們統稱為天線調諧。當無線電的輸出阻抗是天線阻抗的共軛複數時，功率傳輸最大化。在大多數天線調諧過程中，這是透過以下方式實現的：

1. 將天線阻抗轉換為 50 Ω
2. 將平衡不平衡轉換器匹配到 50 Ω

PCB 天線的設計考量：

在進行 PCB 天線設計時，應考慮幾個主要因素，以在最小的空間需求下達到最佳性能：

1. 頻帶：無線系統的操作頻率用於確定 PCB 天線的尺寸和配置。設計方程式和模擬工具可用於針對特定頻帶優化天線尺寸。

2. 天線幾何形狀：PCB 天線的幾何形狀，包括形狀、尺寸和佈局，直接影響輻射場型、效率和阻抗。需要仔細的設計考量才能達到最佳性能。

3. 接地平面：一個連續且連接良好的 PCB 接地平面幾乎在每個應用中都是必要的，尤其是在涉及 PCB 天線時。在這種情況下，接地平面充當參考點，並有助於最小化輻射損耗。

4. 阻抗匹配：為了以最小的信號反射和損耗達到最大的輻射性能，將 PCB 天線的阻抗與內部電路的阻抗匹配至關重要。匹配網路、短截線調諧和其他阻抗匹配元件可用於實現阻抗的最佳匹配。天線阻抗不匹配會造成不必要的損耗和信號偏差。

性能測試與優化：

PCB 天線設計完成後，必須進行測試和必要的優化，以確保符合所需的規格和標準。各種測試方法，例如：

• S 參數測量
• 輻射場型測量
• 阻抗匹配分析

結論：

總而言之，PCB 天線的設計需要仔細考量各種因素，包括頻帶、天線幾何形狀、接地平面和阻抗匹配。這些是電子和電磁學的關鍵部分，如果設計不正確，理論就會失效，天線也完全無法工作。透過遵循最佳實踐，並結合使用先進的設計和測試技術，使用者可以為各種無線通訊產品開發出高效、可靠且低成本的 PCB 天線。