AD使用总结4——PCB天线知识

2019-07-14 06:20发布

       这几天在做一个灯的产品,原理图画好后外发厂家画PCB并生产。后来厂家发送过来的PCB文件中发现有几个弧形接近环形的走线,第一感觉是没见过这种总弧线的,另外由于弧线很大,怀疑会引进干扰或形成天线。自己不是很懂PCB走线及天线,只是怀疑会形成天线,所以就查阅了好多资料,大概搞懂了些。        首先,我的担心是会形成天线,对其他线路造成干扰或者容易被其他干扰。那就首先看下关于天线的资料。 一、天线        1.什么是天线?        天线是一种用来发送或者接收电磁波的器件。        2.天线的作用        发射天线的作用是将发射机的高频电流(或波导系统中的导行波)的能量有效地转换成空间的电磁能量。而接收天线的作用则恰恰相反,因此天线实际上是一个换能器。       3.天线的理论基础       由麦克斯韦的电磁场理论,变化的电场产生变化的磁场,而变化的磁场又产生变化的电场,这样就产生了电磁波。
      4.天线辐射       要产生辐射就必须有一个时变的电流或者具有加速度的电荷。为了使电荷产生加速度,必须使导线弯曲或者使其成V形,还可将其表面制成非连续性或者使其具有终端。       加入电荷在导线内作匀速运动,如果导线笔直无限长,就不会有辐射;如果导线被弯曲或者被制成V形,使其具有终点或将其截断,以及将其表面制成非连续型都将产生辐射。       假如电荷在瞬时状态下振动,即便导线是笔直的也将产生辐射。       辐射导线结构
       5.天线工作原理        导线载有交变电流时,就可以形成电磁波的辐射,辐射的能力与导线的长短和形状有关; 当导线长度增大到可与波长相比拟时,导线上电流大大的增加,因而就能形成较强的辐射。通常将上述能产生显著辐射的直导线成为振子。
      6.        如下图所示导体的波长为入/2,其中入为电信号的波长。信号发生器通过一根传输线(也称为天线馈电)在天线的中心点为其供电。按照这个长度,将在整个导线上形成电压和电流驻波,  
                           图2        输入到天线的电能被转换为电磁辐射,并以相应的频率辐射到空中。该天线由天线馈电供电,馈电的特性阻抗为50R,并且辐射到特性阻抗为377R的空间中。        长度为λ/2的天线(如图2所示)被称为偶极天线。但在印刷电路板中,大多作为天线使用的导体长度仅为λ/4,但仍具有相同的性能。请参见图3。
       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)。被组合在一起时,这些引脚作为偶极天线使用。这种天线被称为四分之一波长(λ/4)天线。PCB上几乎所有的天线都按铜制接地层上四分之一波长的尺寸实现。请注意,该信号现在是单端馈电,同时接地层作为返回路径使用。

                   图3 四分之一波长天线 对于大多数PCB中使用的四分之一波长天线,需要特别注意:   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   天线类型   如前部分所述,在自由空间中裸露的波长为λ/4的所有导体被放在一个接地层上,并为其提供合适的电压,那么该导体可以作为一个天线使用。根据不同的波长,天线可能与汽车的FM天线一样长,也可能与信号浮标上的走线一样短。对于2.4GHz的应用,大部分PCB天线都属于下面的类型:   1.导线天线:这是在PCB上延长到自由空间中的一段导线,它的长度为λ/4,并被放置在接地层上。这种天线是由50Ω阻抗的传输线供电的。通常,该导线天线提供的性能和辐射范围最好。该导线可以是直线、螺旋或是回路的。它是一个三维(3D)的结构,其中天线高出PCB4-5mm,并伸出到空间内。
      2. PCB天线:它是PCB上的一根PCB走线,并且可以将其画成直线形走线、反转的F形走线、蛇形或圆形走线等。在一个PCB天线中,与导线天线不同的是,该天线没有被露到外部空间内,而是在同一个PCB层上以二维(2D)结构形式存在;请参见图5。   当裸露到空间外的3D天线被放置到PCB层上作为2D的PCB走线时,必须遵循一定的指南。一般情况下,与导线天线相比,它需要的PCB空间更大,效率也低,但成本低,并且可以给BLE应用提供可接收的无线距离。

      3.芯片天线:这是一种带有导体的天线,天线和导体都被组装在小型的IC封装中。当天线被封装在很小的尺寸内时,它会变得很有优势。天线USB的纳米收发器等应用会使用这种天线,当PCB上没有足够的空间来布局PCB天线时。有关芯片天线的信息,请参见下图。
赛普拉斯专有的PCB天线   赛普拉斯推荐使用IFA和MIFA这两种PCB天线。BLE应用中的低速率和典型的辐射围范使这两种天线特别有用。这些天线既便宜又容易设计,这是因为它们是PCB的组成部分,并且能够在150至250MHz的频段范围内提供良好的性能。   建议将MIFA天线使用在仅需极小的PCB空间的应用中,如无线鼠标、键盘、演示机等等。对于IFA天线,建议将其应用在要求天线一侧的尺寸远小于另一侧的尺寸的应用中,如心率监视器。大多数BLE应用中使用的是MIFA天线。下面各节将详细介绍每种天线的信息。 蛇形倒F天线(MIFA)   MIFA是一种普通的天线,被广泛地使用在各个人机接口设备(HID)中,因为它占用的PCB空间较小。因此赛普拉斯已设计出一种结实的MIFA天线,而它能在较小的波形系数中提供优越的性能。该天线的尺寸为7.2mm×11.1mm(相当于284密耳×437密耳),因此它很适合于各种HID的应用,例如无线鼠标、键盘或演示机等。图10显示的是所推荐的MIFA天线的详细布局,其中包含了双层PCB的顶层和底层。这种天线的迹线宽度均为20密耳。“W”的值是可改变的主要参数,它取决于PCB堆栈间隔,它表示RF走线(传输线)的宽度。
                                     顶层(天线层)
                          底层(RF接地层) 二、极化天线        下图12是极化天线的工作原理图,图12a 和图12b 表示天线在电场中被感应产生极化的两种不同情形。所谓极化就是导体或物体在电场力的作用下产生带电,这种带电是极化带电,即:导体或物体的一端带正电,而另一端带负电。一般地说,导体或物体被极化带电,只是两端带电,而中心点是不带电的。由于,极化天线的电场是一个交变电场,所以,天线总是在图12a 和图12b 之间来回变化。12a 和图12b 最左边的图形是表示电场方向和天线的电荷分布曲线,中间图形表示载流子在极化天线中流动,右边图形表示天线的等效电路。

    以上是关于天线和PCB天线的一些知识。        实际画图布板过程中,如果有出现比较大的弧形走线,如果走线被地包围,一般也不会出现被干扰或干扰其他线路。但是,一般而言环形线在一定情况下会相当于环形天线,既可以接受电磁能量,也可以发射电磁能量,这样就容易造成干扰和被干扰得问题,而且其对电磁能量的接受和发射能力与环路面积有关,所以通常都要求尽量减小共模信号与地构成的环路面积.