[讨论] 天线长度的考量

天线长度的考量 根据 PCB 的不同厚度，需要调整 MIFA 天线的长度，这样才能调整天线辐射的阻抗和频率选择。根据不同的电路板厚 度，赛普拉斯提供了 Table 1中的各天线长度。

Figure 1. MIFA 的长度

Table 1. 竖向部分和末梢的长度

Figure 1显示的是两种适用于两个不同电路板厚度的 MIFA 天线。设计人员根据特定的电路板厚度进行调整 MIFA 天线的长度时，请参考 Table 1。

请注意，原始天线应该从全长天线开始。根据电路板厚度的不同，天线需要调整长度。我们不能像减少长度那样容易地在板上增加长度。应将 Table 1 作为指导，以检查给定板厚度的天线的最终长度而非确切数字。

长度切割是调整天线的快速方法。如果客户有足够的空间来放置匹配的网络组件和天线调谐能力，我们建议使用匹配网络而不是长度调整。

倒 F 天线 (IFA) 

与 MIFA 相比，IFA 是一种辐射更好的天线。给定空间可用性 IFA 天线比 MIFA 天线更好。它有更好的效率。但与 MIFA 相比，它需要更大的面积。 IFA 推荐用于其中一个天线尺寸受限的应用，例如心率监测器。Figure 16 显示了双层 PCB 中推荐的 IFA (顶层和底层) 的布局细节。迹线宽度为 24 密耳。IFA 的设计尺寸为 4 mm×20.5 mm (157.5 mils×807 mils)，用于厚度为 1.6 mm 的 FR4 PCB。IFA 具有比 MIFA 更大的纵横比 (宽高比)。

Figure 2. IFA 布局

如针对 MIFA 天线所解释的，馈电迹线宽度“W”取决于产品的 PCB 堆叠。Table 2 提供了用于共面波导模型的 FR4 基件 (相对介电常数= 4.3) 的顶层 (天线层) 和底层 (相邻 RF 接地层) 之间的不同 PCB 厚度的“W”值。

Table 2. FR4 PCB 的“F”值：50-ohm 天线层与相邻射频的接地层间的厚度

IFA 在 220 MHz 的带宽上 (S11 ≤ –10 dB) 的频率约为 2.44 GHz，如 Figure 3 中所示。

Figure 3. IFA 的 S11 (回波损耗= -S11)

Figure 4 显示的是 IFA 在 XY 平面上的定性辐射图。在为客户应用设置 IFA 天线时，该信息非常有用，有助于在需要 的方向上得到最大的辐射。为了便于观察，图中只显示了定性辐射的方向。有关所有 XY、YZ、ZX 平面上详细的辐射 图.

Figure 4. IFA 的定性 2D 辐射增益图

芯片天线

对于 PCB 尺寸非常小的应用，芯片天线不失为一种很好的办法 (Figure 5)。它们是现成的天线，占用的 PCB 空间最 小，并且能够提供较好的性能。但芯片天线增加了物料 (BOM) 与装配费用。因为这些事需要订购和装配的外部组件。 通常，芯片天线的价格约为 10-50 美分，具体价格取决于尺寸和性能。

Figure 5. 芯片天线

使用芯片天线时，也应考虑另一个关键因素：它受辐射接地面积的影响。所以，必须遵循厂家对接地面积的推荐。与 PCB 天线不同，芯片天线不能通过改变天线长度来调整。另外需要一个匹配网络才能调整该天线，因此会增加更多的 物料成本。

各种天线的比较

参考 Table 3，快速为您的应用选择合适的天线。

Table 3. MIFA、IFA、芯片和导线天线间的比较

外壳和接地层对天线性能的影响

通常消费类产品中所使用的天线对 PCB 射频接地层的大小和产品的塑料外壳非常敏感。可将天线模拟为一个 LC 谐振 器，当 L (电感) 或 C (电容) 增加时，该 LC 谐振器的谐振频率会下降。更大的射频接地层和塑料外壳会增大有效电容， 从而降低谐振频率。

接地层的影响

单极 PCB 天线需要接地层才能正常工作。 Figure 6 显示的是 MIFA 被放置在接地层大小不同的 PCB 上的示例。PCB 的尺寸范围为 20 mm × 20 mm 至 50 mm × 50 mm。 通过该曲线可以了解到，射频接地层的面积越大，那么谐振频率越低，并且接地层也越好，因此回波损耗也会越小。这 便是好的 PCB 布局中的关键条件。给四分之一波长的天线提供的接地层越好，它与理论性能的关系也会越好。这是进 行天线设计中的关键概念，可以解决没有足够空间提供给接地小型模块天线的困难。

Figure 6. PCB 接地层尺寸的影响

外壳的影响 

与接地层的影响类似，为了量化天线对产品塑料外壳的敏感度，实验在无线鼠标上进行，如 Figure 7所示。赛普拉斯 MIFA 放置在无线鼠标的塑料外壳内，然后测量辐射模式和回波损耗。

Figure7.塑料外壳的影响

通过 Figure 6 和 Figure 7，可了解以下主要内容： 

• 将天线放置在靠近塑料外壳的地方时，谐振频率会降低。

• 谐振频率的变化范围为 100 MHz 至 200 MHz。必须重新调试天线才能获得所需频带。有关天线调试的信息，请参 考天线放置、外壳、和接地层指南。

总之，加大接地层大小和塑料外壳是为了使天线的谐振频率降低到 100 MHz 至 200 MHz 的范围内。

天线放置、外壳、和接地层指南

• 始终将天线放置在 PCB 的一个角落，与电路的其余部分保持足够的间隙。

• 始终遵循天线设计者/制造商推荐的天线接地方式。常用的 PCB 天线是单极天线的变体。单极天线需要直接接地才 能正常工作。

• 切勿在所有层的天线禁区内放置任何组件、平面、安装螺丝或迹线。实际的禁用区域取决于使用的天线。

• 不要将天线靠近工业设计中的塑料。塑料具有比空气更高的介电常数。塑料与天线的接近度导致天线看到更高的有 效介电常数。这增加了天线迹线的电长度并降低了谐振频率。 

• 电池电缆或麦克风线缆不得穿过天线迹线。

• 天线不能完全被金属外壳覆盖。如果产品具有金属外壳或屏蔽层，则外壳不得覆盖天线。天线近场不允许有金属。

• 天线的方向应与最终产品方向一致，以便辐射在所需方向上达到最大。

• 天线下方不得有任何接地。见 Figure 14。 

• 从天线到接地层要有足够的空间 (间隙)，该接地层的宽度应该最小。

• 计划为天线匹配网络提供配置，因为天线接近的许多参数 (塑料，接地变化，基底差异和其他组件) 可能会改变其 阻抗，因此天线可能需要重新调谐。如果天线的阻抗未知，则最好为三个组件的 PI 或 T 网络提供配置，其中串联 元件中填充 0 欧姆，分流元件不加载。这有助于您稍后填充匹配网络所需的任何拓扑。 

• 使用天线制造商提供的匹配网络值时，请确保使用从天线到匹配网络的走线长度，这在制造商数据手册或参考设计 中指定。

• 始终使用最终的塑料外壳和典型的使用案例场景中的产品验证天线匹配网络，例如，验证一只鼠标的塑料放在手上， 放在鼠标垫、塑料、木材、金属或地板上。

   

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