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天线简述

天线一般指裸露在空间内的导体，用于发送和接收来自空中的电磁辐射，其长度与信号波长成特定比例或整数倍。

上图所示，天线长度为信号波长的二分之一（这通常称之为偶极天线），由天线馈电供电，馈电的特征阻抗通常为50ohm，并通过天线辐射到特征阻抗为377ohm的空中。

在印刷电路板中，大多作为天线使用的导体长度仅为信号波长的1/4，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），组合在一起，同样可以被用作偶极天线来使用。注意此时，信号为单端馈电，同时接地层作为返回路径使用。

设计良好的天线系统可以在已给定数据包错误率（PER）的基础上尽可能的扩大传输距离。对于大多数的PCB天线，需要特别注意以下几点：

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

天线参数

天线参数主要包含：回波损耗、带宽、辐射效率、辐射图形、增益。

回波损耗

表征天线与传输线的匹配程度。通常传输线阻抗为50ohm（在PCB制板时，我们已经要求板厂对这段走线做50ohm阻抗管控）。理想的天线也应该是50ohm，但受限于实际应用的板子尺寸、环境，天线的阻抗并不是严格意义上的50ohm。

我们知道信号在传输过程中，遇到非连续的阻抗便会发生反射。一个非理想的天线自然也会产生反射，回波损耗或S11参数便是表征反射程度大小。如果该回波损耗是无限的，则认为天线与传输线完全匹配。大多数情况下，回波损耗 ≥ 10 dB (即 S11 ≤ –10 dB)，就认为天线与传输线已经处于很好的匹配状态。

带宽

即天线的频率响应：在整个频带上，尤其是常用的2.4GHz~2.48GHz范围内，天线与传输线的匹配程度：

通常更宽的带宽是首选，因为它可以最大限度地减少产品在实际使用中天线周围环境变化引起的失谐效应(例如放置在木材/金属/塑料桌上的鼠标，鼠标周围的手等)。

辐射效率

天线辐射到空中的能量与天线接收到的能量之比。是为非反射部分中被天线消耗产生为热量的部分，而产生热量是由于 FR4 基板中的介电损耗以及铜线中的导体损耗造成的。辐射效率为 100%时，全部非反射的功耗都被发射到空间内。

辐射图形

表示天线辐射方向性，以及在哪个方向上的辐射更大，哪个方向上的辐射更小。无方向性天线可以按与轴线相垂直的平面上所有方向进行等效发射，但大多数天线达不到这个性能，故而获得的轮廓并不是圆形：

增益

单位为dBi，表示在与一个理想的无方向性天线进行对比时辐射的场强。理想的无方向性天线功率均匀的分布在半径为R的球体表面，功率密度为：
Power density = P / A = P / (4πR^2)
天线增益为G，则对应的功率密度为：
Power density = G·P / (4πR^2)

天线分类

基于我们实际应用的场景，天线主要分为三类：

• PCB天线
• 芯片天线
• 导线天线

PCB天线

PCB上的一块铜皮或走线，常见的有蛇形倒F天线（MIFA）、倒F天线（IFA）：

• 蛇形倒F天线（MIFA）：
  

• 倒F天线（IFA）：
  

芯片天线

该天线被封装在小型的IC中，在PCB空间极小的应用中特别有效。比如约翰森的：2450AT18B100E、2450AT42B100E：

在使用芯片天线时，需要尤其注意以下几点：

1.天线周围的离地间隙
2.天线最佳辐射的位置
3.天线馈线的注意事项
4.天线带宽扩展的匹配网络

强烈推荐用户参考厂商推荐的Layout布局规则。

导线天线

导线天线是四分之一波长导体的经典天线。它们固定在 PCB 上，但是从 PCB 平面升起并突出到接地层上的空间。它们作为 3D 天线暴露在空气中，因此它们具有出色的射频性能。它们具有最佳辐射范围，并且具有最全面的等向性的辐射模式。

上述天线的性能对比

下图是对上面所提及的天线性能进行的简单对比，有助于用户快速的选择合适的天线：

接地及外壳对天线性能的影响

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。

接地对天线的影响：

如上所述，单极 PCB 天线需要接地层才能正常工作。将MIFA天线放置在接地层大小不同的 PCB 上，PCB 的尺寸范围为 20 mm × 20 mm 至 50 mm × 50 mm：

根据测试结果，可得结论如下：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，回波损耗也越小。

外壳对天线的影响：

将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：

根据测试结果，可得结论如下：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。

天线布局的建议

关于天线布局的一些通用建议：

1.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。
2.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。
3.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。
4.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。
5.电池电缆或麦克风线缆不得穿过天线迹线。 
6.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。 
7.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。
8.天线下方不得有任何接地。
9.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。 
10.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。 
11.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。
12.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。

参考资料：

AN91445 - Antenna Design and RF Layout Guidelines