各种PCB板载天线以及PCB设计要点

多元智

天线是各种智能设备都需要的重要部件，所有需要用到无线的设备都需要用到它。现在是无线时代，网络路由器都是无线WIFI，电脑，手机连网络再也不用网线连接了，还有蓝牙耳机，蓝牙鼠标，蓝牙键盘等等不再有电线了，这个天线的性能就至关重要了。
    一般天线的选择有一些因素，除了考虑性能还要考虑成本，所以在选择天线的时候，需要综合考虑。今天上尉Shonway就给大家讲讲各种天线的设计及设计要点。
天线一般有以下几种：
第一种、PCB板载天线

这种天线成本低，但性能会稍微差一点。PCB板载天线也有几种形式。
a、平面倒F型天线，英文缩写即PIFA

如下图所示就是倒F的PCB板载天线



倒F的PCB板载天线

下面这个是上面平面倒F的PCB板载天线的变种，由于空间不够，扭曲一下。
此倒F天线PCB设计都有哪些需要注意的问题？

我们首先要知道这个射频知识，Shonway以前出过一篇文章，对于射频，任何铜箔，导线都不能看成是简单的导线，他是由很多阻容电路组成的一种等效电路，你看到短路的，对于射频就不是短路。以这个思路我们看看这个倒F天线的PCB设计。
如下图所示：



这里有六点要注意：

1、这个倒F天线，不是随便画的，网上有专门的这种天线的库，拿过来，按要求放上去就好。如果空间不够，那就是自己通过仿真自己制作了自己专用的天线了。原创今日头条：卧龙会IT技术
2、RF馈点这里引出来的线阻抗必须做到50ohm
3、接地馈点必须接地牢靠
4、地平面必须要多打地过孔，如上图所示，这个过孔间距多少合适的话，我们以前一篇卧龙会布布熊老师写过一篇文章，大家找一下可以看看
5、天线这里所有层铜箔必须净空。
6、天线必须放在PCB板的角落里，最好三面都是空的，如图2所示，上面三面都是空的

手机上的天线叫平面倒F天线，原理上是用一个平面接上一个接地平面馈点，与RF馈点组成，如下图4所示：



图4.平面倒F天线

上面图4从左下方RF馈点这个箭头看过去，就是一个倒F。同样是倒F结构，但手机中的天线采用的是平面结构，这个倒F天线就比PCB板载天线性能就会好很多，这样空间又比较少，成本又低，对于手机天线是最好的选择。
实际的天线如下图5所示



图5.实际的手机天线

实际上这个平面对于不同手机有很多种形状，原理就是平面倒F结构，在这个平面上一个是接RF，一个是接地馈点就组成了平面倒F天线。



上图就是不同手机天线。他们的原理都是平面倒F天线，是不是长知识了，记得点赞。
b、倒L形PCB板载天线







此倒L形的需要注意的问题跟前面的差不多不再说明，倒L型天线没有倒F型天线效果好一点，因为倒F天线有一个接地馈点，能有效调节频点。
市面上有不少PCB板载天线，主要是上面两种，还有一些如下面的图所示：







第二种、贴片陶瓷天线

这种天线做成了贴片元件，如下图所示



贴片天线

这种天线一端是接RF，一端是接地。陶瓷天线原理，就是通过一根叫做“天线”的电极将天线与地之间形成的高频电场变成电磁波，从而能发射出去并传波到远方。
PCB最好的布局布线方式就是以下方式



把陶瓷贴片天线放板边，一边接地，一边连RF信号，下面所有层铜箔都掏空（白色框所示区域）这样四个方向，至少2个方向都是空的，对天线的效果很好，不要忘记接地铜箔都要打上接地过孔，打多一点。
第三种、棒状天线

此种天线如下图14所示，这种天线效果最好，它是置身于空间，辐射效果最好，但成本也是贵一点，占用的空间也大，这只能是露在机壳外面。



这种天线在PCB设计时要注意的问题

1、如果RF引线短，RF信号线下面所有层都要净空，如图15所示，如果引出线比较长，那还要控制一下这根引出线的阻抗，多层板的话，需要把他下面的第二层净空，其它层铺完整铜，然后隔层参考地做阻抗，（为什么要隔层参考，大家评论区发表一下意见）阻抗控制在50ohm.如图16所示。
2、附近的接地铜箔必须接地牢靠，也就是要多打地孔。

蓝牙天线设计

蓝牙天线设计之倒F型天线：

倒F型天线的天线体可以为线状或者片状，当使用介电常数较高的绝缘材料时还可以缩小蓝牙天线尺寸。作为板载天线的一种，倒F型天线设计成本低但增加了一定体积，在实际应用中是最常见的一种。天线一般放置在PCB顶层，铺地一般放在顶层并位于天线附近，但天线周围务必不能放置地，周围应是净空区。如下图：



蓝牙天线设计之曲流型天线设计：

曲流型天线的长度比较难确定。长度一般比四分之一波长稍长，其长度由其几何拓扑空间及敷地区决定。曲流型天线一般是PCB封装，即板载天线。和倒F型一样，天线一般放置在PCB顶层，铺地一般放在顶层并位于天线附近，但天线周围务必不能放置地，周围应是净空区。如图2，图3：





注：天线长度计算公式：
天线的长度（米）=（300/f）*0.25*0.96
其中f表示频率（MHz），0.96为波长缩短率
蓝牙天线长度约为300/2.4G*0.25*0.96 大约为31mm
蓝牙天线设计之陶瓷天线设计：

陶瓷天线是另外一种适合于蓝牙装置使用的小型化天线。陶瓷天线的种类分为块状陶瓷天线和多层陶瓷天线。由于陶瓷本身介电常数较PCB电路板高，所以使用陶瓷天线能有效缩小天线尺寸，在介电损耗方面，陶瓷介质也比PCB电路板的介电损失小，所以非常适合低耗电率的的蓝牙模块中使用。在PCB设计时，天线周围要净空就可以了，特别注意不能敷铜。如下图：



蓝牙天线设计之2.4G棒状天线设计：

2.4G棒状蓝牙天线体积大，但传输距离要强于其他天线。在PCB设计时，天线周围也和上述的三种天线设计一样要净空。如下图：



关于蓝牙天线设计的其它相关注意点：

1）天线的信号（频率大于400MHz以上）容易受到衰减，因此天线与附近的地的距离至少要大于三倍的线宽。
2）对于微带线与带状线来说，特征阻抗与板层的厚度、线宽、过孔以及板材的介电常数相关。
3）过孔会产生寄生电感，高频信号对此会产生非常大的衰减，所以走射频线的时候尽量不要有过孔。

程建国

好东西果断赞[酷]