射频工程师不得不知的天线设计与布局技巧！

天线设计和射频布局对于在自由空间中传输和接收电磁辐射的无线系统至关重要。终端客户从具有限流电源的RF产品中获得的无线范围（例如纽扣电池）在很大程度上取决于天线设计，外壳和良好的PCB布局。
天线设计和射频布局对于使用相同硅和相同功率但具有不同布局和天线设计实践的设计，RF范围的变化很大并不罕见。本应用笔记介绍了最佳实践，布局指南和天线调整程序，以便在给定功率范围内获得最宽范围。还探讨了RF走线，电源去耦，通孔，PCB叠层，天线和接地等其他重要的一般布局考虑因素。详细介绍了电感器和电容器等射频无源器件的选择。每个主题都以与该主题相关的设计项目的提示或清单结束。图1显示了无线系统的关键组件，发送器（TX）和接收器（RX）。
图1.典型的短程无线系统
精心设计的天线可确保无线产品的最佳工作距离。它可以从无线电传输的功率越大，它对于给定的分组错误率（PER）和接收器灵敏度所能覆盖的距离就越大。
同样，接收器侧的调谐良好的无线电可以使用天线发生的最小辐射。需要正确设计RF布局以及无线电匹配网络，以确保无线电的大部分功率到达天线，反之亦然。
天线基础知识
天线基本上是在太空中暴露的导体。如果导体的长度是信号1的波长的某个比率或倍数，则它变成天线。这种情况称为“谐振”，因为馈入天线的电能被辐射到自由空间。
图2.偶极子天线基本
偶极子Antenna Basic
通过称为“天线馈电”的传输线向天线馈送天线。在这个长度上，电压和电流驻波在导体的整个长度上形成，如图2所示。
输入到天线的电能以该频率的电磁辐射的形式辐射到免费搜索空间。天线由阻抗为50Ω的天线馈电馈电，并传输到自由空间，具有377Ω2的阻抗。
因此，天线几何有两个最重要的考虑因素：1.天线长度
2.天线馈源
图2所示的λ/2长天线称为偶极天线。然而，印刷电路板中的大多数天线通过以特定方式具有λ/4长度导体来实现相同的性能。参见图3.
通过在导体下方一定距离处接地，可以创建相同长度的图像（λ/4）。当组合时，这些腿就像偶极天线一样工作。这种类型的天线称为四分之一波（λ/4）单极天线。PCB上的大多数天线在铜接地平面上实现为四分之一波长天线。请注意，信号现在是单端馈电，地平面充当返回路径。

图3.四分之一波天线

四分之一波天线
对于大多数PCB中使用的四分之一波长天线，重要的考虑因素是：1.天线长度
2.天线饲料
3.接地平面的形状和大小以及返回路径
天线类型
如上一节所述，任何长度为λ/4的导体在自由空间中暴露，在地平面上有适当的馈电可以是一个有效的天线。根据波长，天线可以与汽车的FM天线或信标上的微小迹线一样长。对于2.4-GHz应用，大多数PCB天线属于以下类型：
1.线天线：这是一块在自由空间中在PCB上延伸的导线，其长度在地平面上与λ/4相匹配。这通常由50Ω、4传输线供电。由于其尺寸和三维曝光，线天线提供最佳性能和射频范围。导线可以是直线，螺旋，或环。这是一种三维（3D）结构，天线在PCB平面上方4-5 mm的高度，突出到太空中。
图4.线天线
2.PCB天线：这是在PCB上绘制的迹线。根据天线类型和空间限制，这可以是直线迹，倒F型迹线，蜿蜒曲线，圆形迹线或具有摆动的曲线。在PCB天线中，天线在PCB的同一平面内成为二维（2D）结构;参见图5.由于在自由空间中暴露的3D天线作为2D PCB走线被带到PCB平面，因此必须遵循指南。PCB天线需要更多的PCB面积，效率低于线天线，但更便宜。它具有易于制造的特性，并且具有BLE应用可接受的无线范围。
图5. PCB Anten
3.芯片天线：这是一种小型IC的天线，内部有导体。当打印PCB天线或支持3D线天线的空间有限时，这非常有用。有关包含芯片天线的蓝牙模块，请参阅图6。下图给出了天线和模块的尺寸与硬币的比较。图6.带有芯片天线的赛普拉斯EZ BLE模块（10 mm×10 mm）
带有芯片天线的赛普拉斯EZ BLE模块（10 mm×10 mm）