PCB设计的天线设计原则
(Alt文本:天线设计PCB)
有许多天线可以作为现成的组件,和工程师可以使用在许多需要某种无线通信的系统。多氯联苯中使用的天线也可以打印,允许完全定制的设计和独特的架构,可在一个单一的组装。还有PCB-mounted天线芯片天线和SoC集成无线模块,这可能还需要天线模块或现成的组件。
无论如果你的天线放置印刷元素或撤下货架,重要的是PCB设计者知道天线在深工作水平。精明的设计师将很快注意到PCB包含许多元素可以像有效的天线。在本文中,我们将介绍一些主要概念天线,以便工程师可以看到如何设计、选择,并将天线。
PCB天线设计基础
天线执行两个基本功能:它们发出电磁波提供电压和电流时,他们接收电磁波,将其转换为电压和电流。互连导致天线将需要传递一个信号到天线或接受一个信号从天线。这些元素本身就是在波传播政权运营(我们将在下面看到),所以阻抗匹配必须执行。
天线可以用来接电场或磁场,根据其几何学。最简单的天线是一个单线的具体长度的大小,将在下面讨论。磁性天线使用的线圈,和发射机/接收机元素,系统就像一个加载完成电路包含环形天线。
偶极子天线(左)和环形天线(右)与注入电流。
上面的两张图片提供比较的循环和极天线。极天线接收电流从一个司机,就像一个开放的输电线路。的远端天线的反射后,叠加使电流波沿着天线形式。这改变目前的发出变化的磁场;图示磁场产生变化的电场,你现在有一个旅行波阵面天线发出!
物理设计的天线
天线设计的目标,都在PCB或者当集成作为一个外部组件,是定义天线的几何形状,以便满足一些特定的操作目标:
- 高辐射效率
- 低损耗沿馈线和前端
- 方向(辐射模式)
- 馈线匹配
- 足够的带宽
天线的物理设计和它的位置在PCB将决定所有上述操作特点。
天线通常利用一些波共振天线结构中创建一个强大的电压和电流振荡。这将给你强大的电场和磁场天线一代,和之间的叉积将发射给你强大的力量。所以,天线设计的问题是确定特征函数(共振)天线结构,将给予强烈的电磁辐射发射。
对于复杂的天线,没有封闭的解的排放特性,电磁场解算器模拟需要确定上面列出的操作参数。现场解决用于天线设计可以用在两个方面:确定电压和电流分布天线体在频域(使用矩量法或边界元法),或者确定天线周围的电磁场辐射。
从一个方形环天线辐射方向图的例子。
一旦确定天线周围的电磁场,软件可用于确定辐射模式和辐射效率。现场解决天线通常会运行在频域中,这些值可以作为频率的函数。这让一个设计师确定天线的发射带宽。
另一个重要方面来确定天线的输入阻抗。请注意,天线输入阻抗有活性成分。阻抗将决定如何设计天线的匹配网络,以及给水管路设计用于最大信号转移到天线。
给水管路设计
天线馈线必须用来接收信号从一个导电馈线。PCB,这将是一段设计特定的阻抗的传输线,尝试匹配天线阻抗。输电线路非常强烈电阻的特性阻抗,但天线可以被动组件的输入阻抗。因此,需要一个阻抗匹配方法;这可以用一组离散的组件实现滤波电路,或使用输电线路部分。
馈线需要设计,沿馈线回路损耗最小化在天线的输入端口。馈线和匹配网络设计可以限制带宽如果不正确实现,因此设计师必须选择适当的匹配方法为他们的特定的天线。下表概述了一些可能的天线阻抗匹配的方法可以使用他们。
匹配类型 |
匹配的特征 |
馈线匹配与系列的部分输电线路 |
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存根匹配与分流或部分开放 |
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阻抗匹配网络电路(usualylLC带通滤波器) |
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直接匹配 |
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锥形匹配 |
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输电线路部分的阻抗匹配提供了高Q匹配意味着设计只能提供高增益和不同波长的辐射效率也许5%带宽,这取决于系统中损失的数量。当需要广泛的带宽活性或电阻天线,应该使用LC滤波器匹配。
所有的天线需要地面飞机吗?
简单的答案是“不”,一些天线需要地平面,有些则不然。地面飞机用于PCB或低于大型站天线就像相反的极性发射器发射天线时(图片天线)兴奋。这个电场将会被终止地平面并创建一个半平面离地面发射模式平面如下四分之一波长的例子所示。
这张图片显示了一个四分之一波长天线的发射模式站以上接地平面。类似的结果可以计算在PCB印刷天线悬挂在接地平面。
这意味着,在适当的坐标系转换或保角映射下,天线与地平面可以定义成一个等效偶极子或高阶只天线发射到半平面。事实上,多极展开技术是用于电磁学近似任意系统的电荷和电流偶极子,tripoles, quadrapoles,等;同样的概念也适用于天线。
明白为什么是这样,想想一个偶极子天线在真空中工作,如下所示。司机的等效的功能是提供一个差模电流;实际发生的是驱动端诱发其差模返回当前相反的极性。这个电荷分布偶极天线的两条腿如下所示。双方一起排放产生环状的发射模式通常出现在偶极子天线。
电压和电流分布在半波偶极子天线。
天线放置在地平面时,负面的地平面基本上就像一个偶极天线的电场可以通过提供一个位置中定义的终止标准在导体的电场边界条件。接地平面使排放直接到上面的半平面的平面,它集天线的输入阻抗匹配一个特定的值,可以对系统的模拟前端。
下图从维基百科显示了两种情况之间的对应关系。离地面发射的电磁辐射天线平面反射地面飞机由于波阻抗不连续的地平面。如果我们在导体中插入图像天线,我们可以看到叠加的发射天线和形象产生相同的字段在观测点P。
天线辐射地平面上。【来源:维基百科]
模拟前端的天线
下一个重要点与天线设计和实现PCB天线的模拟前端的建设。典型的框图的模拟前端天线如下所示。
模拟前端框图。
模拟前端的工作形成了信号,确保传输天线和收发器之间。在一些较小的系统与物联网产品,中央处理器(单片机)往往会有前端内置。设计师只需要一个阻抗匹配网络和馈线天线。在高功率系统不使用现成的处理器、模拟前端可能由离散的组件。
在典型的天线设计方法,设计者通常会看一个频率(载波频率)在设计天线时,馈线,匹配网络。然而,重要的是要考虑信号的带宽设计天线时,这些渠道系统。正如我们上面所讨论的,馈线和天线的阻抗匹配的部分可能会限制带宽的接收和发射。系统的前端需要操作这个带宽范围内,以确保接收和发射的电磁能量。
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