什么是PCB天线?如何制作?请您尽量讲详细一些,谢谢
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,
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。
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。
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,
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
如下图7所示,图8就是倒L形天线的变种,也是因空间不够,扭曲一下,以匹配频率
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
有些是厂家自己通过仿真制作出来的。
第二种 贴片陶瓷天线
这种天线做成了贴片元件
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。原创今日头条:卧龙会IT技术
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。
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。
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。
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。
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。
当你每天在用智能手机打电话、发短信、玩儿网络游戏、转微博等等一系列的沟通行为的时候,有没有想到过,这一切的一切都是通过手机上的天线模块来实现的。如果没有天线,智能手机将变成一台单机游戏机。
现在你和人们聊起手机的天线,有的人甚至会问你:“天线?我的手机没有天线,什么时代了有机还有天线。”
额。。。。。。其是天线还是有的,眼镜贴到眼睛上就叫隐形眼镜,天线放到手机内部就叫内置天线。
简单说一下内置天线大体有这么两种:PIFA天线和MONOPOLE天线。
PIFA天线如按要求设计环境结构,电性能相当优越,包括SAR(Specific Absorption Rate特殊吸收比率
,主要测量人体吸收手机辐射量的多少)指标,是内置天线首选方案。
适用于有一定厚度手机产品,折叠、滑盖、旋盖、直板机。
MONOPOLE天线如按要求设计环境结构,电性能可达到较高的水平。缺点是SAR稍高。不适用折叠、滑盖机,在直板机和超薄直板机上有优势。
下面来看一下几款手机的内置天线。
三星Galaxy Note 2:
底部白色的部分就是天线模块。
三星Galaxy S5:
红色:SWEP GRG28天线切换模块
橙色(大):高通WTR1625L射频收发器
橙色(小):高通WFR1620接收器
iPhone 4S也将天线放到了手机底部,但与Note2不同的是它还有外接金属天线。
iPhone 6的天线则被移到了手机上方,同样的,其金属后壳被残忍的分割开来。
最早的大哥大手机是外置天线,是低频段的模拟信号天线,这种设计直到现在都还在被对讲机采用
2G时代,从NOKIA开始采用内置式天线,采用薄不锈钢片冲压而成,随后为降低成本,后来改用FPC(印刷电路板)代替,FPC的特点是材质软,可以贴在曲面上,还可以转折,在空间利用率上比金属天线有优势,FPC天线直到目前仍然是主流的天线技术
后来随技术的发展,又发展出来LDS天线技术,就是直接在经过特殊处理的塑模材料上用激光雕刻出天线,这个技术在目前的中高端手机中普遍采用,通常用在主天线上,和喇叭box做在一起,以节省空间。
现在的手机由于通讯能力相当复杂,需要设计不同功能的天线,会采用不同的技术搭配使用。如下示意图:
MIMO
多输入多输出(Multi-input Multi-output
MIMO)是一种用来描述多天线无线通信系统的抽象数学模型,能利用发射端的多个天线各自独立发送信号,同时在接收端用多个天线接收并恢复原信息,是一种空分复用的概念。
MIMO可以在不需要增加带宽或总发送功率耗损的情况下大幅地增加系统的数据吞吐量及发送距离。MIMO的核心概念为利用多根发射天线与多根接收天线提供的空间自由度来有效提升无线通信系统之频谱效率,进而提升传输速率并改善通信质量。
MIMO技术可以应用在无线通信网络中与基站通信,也可以应用在WiFi网络中与无线路由器通信。我们通常用A*B MIMO来表示天线数量,比如2*2
MIMO表示2路发射2路接收,理论传输容量为SISO的两倍。
在未来5G网络中,可以预见终端会普遍采用更大数量的MIMO技术。
5G时代的天线:尺寸不变,数量增加
天线是无线通信设备上的重要部件,用来发射和接收电磁波信号。天线是一根具有指定长度的导线,可以制造在PCB(印制电路板)和FPC(柔性电路板)上。
天线的长度与无线信号的波长相关性很强,一般要求是电磁波长的1/4或1/2,比如2G时代的900Mhz频段,电磁波长为20~30cm,天线尺寸则为7.5cm左右。
目前4G通信的波段是0.8-2.6GHz,而5G使用的主要通信频段也在6GHz以下。因此,使用5G
Sub-6G频段的手机天线尺寸上不会有大变化,仍然会是厘米级。
不过,为了达到更高的速度要求,5G会使用更多根天线,即MIMO技术,例如4×4 MIMO就是有4个发射端天线,4根收集端天线。
而天线数量的增加,则将会要求多个天线之间的形状重新排布,对手机后盖和走线提出新的要求,以达到更好的效率。华为mate30 pro
5G一共集成了21根天线,其中包括14根5G天线。
在电脑网络连接的时候都会设置wifi网络的拨号和密码设置等,电脑网络连接查看wifi密码方法:(以下步骤以win7系统继续操作)
1.左键点击无线网络标识,然后会弹出网络连接的状态框
2.选中需要查看的无线网络连接,右键点击,在选择菜单里,选择“属性”
3.在属性窗口中,选择“安全”选项卡,然后把“显示字符”选项前面的勾打上,则此时网络密匙就能完全展示出来
磁性天线的原理是切割空间的电磁波,让空间的电磁波的磁场聚集在其周围并产生磁力线,利用磁性天线周围的线圈拾取电磁波信号。
金属做的天线原理也是切割空间的电磁波,空间电磁波的电场在金属导体中产生感应电流来拾取电磁波信号的。
天线是一种变换器,它把传输线上传播的导行波,变换成在无界媒介(通常是自由空间)中传播的电磁波,或者进行相反的变换。在无线电设备中用来发射或接收电磁波的部件。无线电通信、广播、电视、雷达、导航、电子对抗、遥感、射电天文等工程系统,凡是利用电磁波来传递信息的,都依靠天线来进行工作。此外,在用电磁波传送能量方面,非信号的能量辐射也需要天线。一般天线都具有可逆性,即同一副天线既可用作发射天线,也可用作接收天线。同一天线作为发射或接收的基本特性参数是相同的。这就是天线的互易定理。
当导体上通以高频电流时,在其周围空间会产生电场 与磁场。按电磁场在空间的分布特性,可分为近区,中间区, 远区。设R为空间一点距导体的距离,在时的区域称近区,在该区内的电磁场与导体中电流,电压有紧密的联系。在的区域称为远区,在该区域内电磁场能离开导体向空间传播,它的变化相对于导体上的电流电压就要滞后一段时间,此时传播出去的电磁波已不与导线上的电流、电压有直接的联系了,这区域的电磁场称为辐射场。
必须指出,当导线的长度 L 远小于波长 λ 时,辐射很微弱;导线的长度 L 增大到可与波长相比拟时,导线上的电流将大大增加,因而就能形成较强的辐射。
发射天线正是利用辐射场的这种性质,使传送的信号经过发射天线后能够充分地向空间辐射。如何使导体成为一个有效辐射体导系统呢?这里我们先分析一下传输线上的情况,在平行双线的传输线上为了使只有能量的传输而没有辐射,必须保证两线结构对称,线上对应点电流大小和方向相反,且两线间的距离《π。要使电磁场能有效地辐射出去,就必须破坏传输线的这种对称性,如采用把二导体成一定的角度分开,或是将其中一边去掉等方法,都能使导体对称性破坏而产生辐射。
如图TX,图中将开路传输或距离终端π/4处的导体成直状分开,此时终端导体上的电流已不是反相而是同相了,从而使该段导体在空间点的辐射场同相迭加,构成一个有效的辐射系统。这就是最简单,最基本的单元天线,称为半波对称振子天线,其特性阻抗为75Ω。电磁波从发射天线辐射出来以后,向四面传播出去,若电磁波传播的方向上放一对称振子,则在电磁波的作用下,天线振子上就会产生感应电动势。如此时天线与接收设备相连,则在接收设备输入端就会产生高频电流。这样天线就起着接收作用并将电磁波转化为高频电流,也就是说此时天线起着接收天线的作用,接收效果的好坏除了电波的强弱外还取决于天线的方向性和半边对称振子与接收设备的匹配
天线的原理:要分两部分来说,一是发射天线,一是接收天线。
发射天线简单说,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。
接收天线简单说,就是通过一根叫做“天线”的电极将空中传来的电磁波感应为电场,生成高频信号电压,送到接收机进行信号处理。
天线制作:
通常八木天线由一个激励振子(也称主振子)、一个反射振子(又称反射器)和若干个引向振子(又称引向器)组成。
相比之下反射器最长,位于紧邻主振子的一侧,引向器都较短,并悉数位于主振子的另一侧,全部振子加起来的数目即为天线的单元数,譬如一副五单元的八木天线就包括一个主振子、一个反射器和三个引向器,
振子直接与馈电系统相连,属于有源振子,反射器和引向器都属无源振子,所有振子均处于同一个平面内,并按照一定间距平行固定在一根横贯各振子中心的金属横梁上。