AD使用總結4——PCB天線知識

       這幾天在做一個燈的產品,原理圖畫好後外發廠家畫PCB並生產。後來廠家發送過來的PCB文件中發現有幾個弧形接近環形的走線,第一感覺是沒見過這種總弧線的,另外由於弧線很大,懷疑會引進干擾或形成天線。自己不是很懂PCB走線及天線,只是懷疑會形成天線,所以就查閱了好多資料,大概搞懂了些。

       首先,我的擔心是會形成天線,對其他線路造成干擾或者容易被其他干擾。那就首先看下關於天線的資料。

一、天線

       1.什麼是天線?

       天線是一種用來發送或者接收電磁波的器件。

       2.天線的作用

       發射天線的作用是將發射機的高頻電流(或波導系統中的導行波)的能量有效地轉換成空間的電磁能量。而接收天線的作用則恰恰相反,因此天線實際上是一個換能器。

      3.天線的理論基礎

      由麥克斯韋的電磁場理論,變化的電場產生變化的磁場,而變化的磁場又產生變化的電場,這樣就產生了電磁波。


      4.天線輻射

      要產生輻射就必須有一個時變的電流或者具有加速度的電荷。爲了使電荷產生加速度,必須使導線彎曲或者使其成V形,還可將其表面製成非連續性或者使其具有終端。

      加入電荷在導線內作勻速運動,如果導線筆直無限長,就不會有輻射;如果導線被彎曲或者被製成V形,使其具有終點或將其截斷,以及將其表面製成非連續型都將產生輻射。

      假如電荷在瞬時狀態下振動,即便導線是筆直的也將產生輻射。

      輻射導線結構


       5.天線工作原理

       導線載有交變電流時,就可以形成電磁波的輻射,輻射的能力與導線的長短和形狀有關;

當導線長度增大到可與波長相比擬時,導線上電流大大的增加,因而就能形成較強的輻射。通常將上述能產生顯著輻射的直導線成爲振子。


      6.

       如下圖所示導體的波長爲入/2,其中入爲電信號的波長。信號發生器通過一根傳輸線(也稱爲天線饋電)在天線的中心點爲其供電。按照這個長度,將在整個導線上形成電壓和電流駐波,

 

                           圖2

       輸入到天線的電能被轉換爲電磁輻射,並以相應的頻率輻射到空中。該天線由天線饋電供電,饋電的特性阻抗爲50R,並且輻射到特性阻抗爲377R的空間中。

       長度爲λ/2的天線(如圖2所示)被稱爲偶極天線。但在印刷電路板中,大多作爲天線使用的導體長度僅爲λ/4,但仍具有相同的性能。請參見圖3。

       通過在導體下方一定距離的位置上放置接地層,可以創建與導體長度相同的鏡像(λ/4)。被組合在一起時,這些引腳作爲偶極天線使用。這種天線被稱爲四分之一波長(λ/4)天線。PCB上幾乎所有的天線都按銅製接地層上四分之一波長的尺寸實現。請注意,該信號現在是單端饋電,同時接地層作爲返回路徑使用。


                   圖3 四分之一波長天線

對於大多數PCB中使用的四分之一波長天線,需要特別注意:

  1. 天線長度

  2. 天線饋電

  3. 接地層和迴流路徑的形狀和尺寸

  天線類型

  如前部分所述,在自由空間中裸露的波長爲λ/4的所有導體被放在一個接地層上,併爲其提供合適的電壓,那麼該導體可以作爲一個天線使用。根據不同的波長,天線可能與汽車的FM天線一樣長,也可能與信號浮標上的走線一樣短。對於2.4GHz的應用,大部分PCB天線都屬於下面的類型:

  1.導線天線:這是在PCB上延長到自由空間中的一段導線,它的長度爲λ/4,並被放置在接地層上。這種天線是由50Ω阻抗的傳輸線供電的。通常,該導線天線提供的性能和輻射範圍最好。該導線可以是直線、螺旋或是迴路的。它是一個三維(3D)的結構,其中天線高出PCB4-5mm,並伸出到空間內。


      2. PCB天線:它是PCB上的一根PCB走線,並且可以將其畫成直線形走線、反轉的F形走線、蛇形或圓形走線等。在一個PCB天線中,與導線天線不同的是,該天線沒有被露到外部空間內,而是在同一個PCB層上以二維(2D)結構形式存在;請參見圖5。

  當裸露到空間外的3D天線被放置到PCB層上作爲2D的PCB走線時,必須遵循一定的指南。一般情況下,與導線天線相比,它需要的PCB空間更大,效率也低,但成本低,並且可以給BLE應用提供可接收的無線距離。



      3.芯片天線:這是一種帶有導體的天線,天線和導體都被組裝在小型的IC封裝中。當天線被封裝在很小的尺寸內時,它會變得很有優勢。天線USB的納米收發器等應用會使用這種天線,當PCB上沒有足夠的空間來佈局PCB天線時。有關芯片天線的信息,請參見下圖。


賽普拉斯專有的PCB天線

  賽普拉斯推薦使用IFA和MIFA這兩種PCB天線。BLE應用中的低速率和典型的輻射圍範使這兩種天線特別有用。這些天線既便宜又容易設計,這是因爲它們是PCB的組成部分,並且能夠在150至250MHz的頻段範圍內提供良好的性能。

  建議將MIFA天線使用在僅需極小的PCB空間的應用中,如無線鼠標、鍵盤、演示機等等。對於IFA天線,建議將其應用在要求天線一側的尺寸遠小於另一側的尺寸的應用中,如心率監視器。大多數BLE應用中使用的是MIFA天線。下面各節將詳細介紹每種天線的信息。

蛇形倒F天線(MIFA)

  MIFA是一種普通的天線,被廣泛地使用在各個人機接口設備(HID)中,因爲它佔用的PCB空間較小。因此賽普拉斯已設計出一種結實的MIFA天線,而它能在較小的波形係數中提供優越的性能。該天線的尺寸爲7.2mm×11.1mm(相當於284密耳×437密耳),因此它很適合於各種HID的應用,例如無線鼠標、鍵盤或演示機等。圖10顯示的是所推薦的MIFA天線的詳細布局,其中包含了雙層PCB的頂層和底層。這種天線的跡線寬度均爲20密耳。“W”的值是可改變的主要參數,它取決於PCB堆棧間隔,它表示RF走線(傳輸線)的寬度。


                                     頂層(天線層)


                          底層(RF接地層)

二、極化天線

       下圖12是極化天線的工作原理圖,圖12a 和圖12b 表示天線在電場中被感應產生極化的兩種不同情形。所謂極化就是導體或物體在電場力的作用下產生帶電,這種帶電是極化帶電,即:導體或物體的一端帶正電,而另一端帶負電。一般地說,導體或物體被極化帶電,只是兩端帶電,而中心點是不帶電的。由於,極化天線的電場是一個交變電場,所以,天線總是在圖12a 和圖12b 之間來回變化。12a 和圖12b 最左邊的圖形是表示電場方向和天線的電荷分佈曲線,中間圖形表示載流子在極化天線中流動,右邊圖形表示天線的等效電路。


    以上是關於天線和PCB天線的一些知識。

       實際畫圖布板過程中,如果有出現比較大的弧形走線,如果走線被地包圍,一般也不會出現被幹擾或干擾其他線路。但是,一般而言環形線在一定情況下會相當於環形天線,既可以接受電磁能量,也可以發射電磁能量,這樣就容易造成干擾和被幹擾得問題,而且其對電磁能量的接受和發射能力與環路面積有關,所以通常都要求儘量減小共模信號與地構成的環路面積.


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