PCB设计者的天线设计原则
(Alt文本:天线设计PCB)
有许多现成的天线组件，工程师可以在许多需要某种无线通信的系统中使用它们。在pcb中使用的天线也可以打印，允许完全定制的设计和独特的架构，可在单个组件中访问。然后是pcb天线，如芯片天线和集成无线电的SoC模块，这也可能需要天线模块或现成的组件。
无论您的天线是作为打印元件放置还是从货架上取下，对于PCB设计师来说，了解天线的深层工作原理非常重要。精明的设计师很快就会注意到PCB包含许多可以充当高效天线的元素。在本文中，我们将介绍天线背后的一些主要概念，以便工程师了解如何设计、选择和放置天线。
PCB天线设计基础
天线有两个基本功能:在提供电压和电流时发射电磁波，接收电磁波并将其转换为电压和电流。连接天线的互连需要向天线传递信号或接受天线发出的信号。这些元素固有地在波传播状态下工作(我们将在下面看到)，因此阻抗匹配必须强制执行。
天线可以被设计成接收电场或磁场，这取决于它的几何形状。最简单的天线是一根特定长度的电线，其尺寸将在下面讨论。磁性天线使用一个线圈，系统中的发射机/接收机元件就像一个负载，完成了包含线圈天线的电路。
带有注入电流的偶极天线(左)和环形天线(右)。
上面的两张图片提供了环形天线和极极天线的对比。极天线接收来自驱动器的电流，就像打开的传输线一样。在天线远端反射后，叠加导致沿天线形成电流波。这个变化的电流发出a变化磁场；随时间变化的磁场然后产生变化的电场，现在你就有了一个从天线发射的旅行波前!
天线的物理设计
天线设计者的目标，既在于一个PCB或作为外部组件集成时，是定义天线的几何形状，以满足某些特定的操作目标:
- 高辐射效率
- 低损耗沿馈线和前端
- 方向性(辐射图)
- 馈线匹配
- 足够的带宽
天线的物理设计及其在PCB中的位置将决定上述所有的工作特性。
天线通常利用天线结构中的一些波共振来产生强烈的电压和电流振荡。这样天线周围就会产生很强的电场和磁场，而它们之间的叉乘就会产生很强的功率发射。因此，天线设计的问题是确定天线结构中的本征函数(共振)，从而产生强烈的电磁辐射。
对于发射特性没有封闭解的复杂天线，电磁场求解器需要模拟来确定上面列出的操作参数。用于天线设计的场求解器可以以两种方式使用:在频域内确定天线体内的电压和电流分布(使用矩或矩的方法)边界元法)，或计算天线周围辐射的电磁场。
方形环形天线的辐射图样示例。
一旦确定了天线周围的电磁场，就可以使用软件来确定辐射模式和辐射效率。天线的场求解器通常在频域内工作，因此这些值可以作为频率的函数绘制。这样设计者就可以确定天线的发射带宽。
确定天线的另一个重要方面是输入阻抗。注意，天线的输入阻抗上可以有一个无功分量。阻抗将决定如何为天线设计匹配网络，以及用于将最大信号传输到天线的馈线设计。
给水管路设计
天线馈线必须设计成从导电馈线接收信号。在PCB上，这将是传输线的一段，它被设计成特定的阻抗，试图与天线阻抗匹配。传输线在其特性阻抗中具有很强的电阻性，但天线的输入阻抗中可能有一个无功成分。因此，需要一种阻抗匹配方法;这可以通过滤波电路中的一组分立元件来实现，也可以使用传输线部分。
馈线的设计需要使天线输入端口上沿馈线的返回损失最小化。馈线和匹配网络设计如果不能正确实现，会限制带宽，因此设计者需要为特定的天线选择合适的匹配方法。下表概述了一些可能的天线阻抗匹配方法以及何时可以使用它们。
匹配类型 |
匹配的特征 |
馈线与串联输电线路相匹配 |
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短段与分流或开放部分匹配 |
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阻抗匹配网络电路(通常LC带通滤波器） |
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直接匹配 |
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锥形匹配 |
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事实上，传输线部分阻抗匹配提供了高Q匹配，这意味着该设计只能在特定波长提供高增益和辐射效率，带宽可能为5%，这取决于系统中的损耗量。当无功或阻性天线需要较宽的带宽时，应使用LC滤波器匹配。
所有天线都需要一个接地面吗?
简单的答案是“不”，有些天线需要地平面，有些则不需要。当发射天线被激发时，PCB或大型站立天线下方使用的地平面就像一个相反极性的发射极(图像天线)。这导致电场在地平面并在地平面上创建半平面发射模式，如下面的四分之一波长示例所示。
这幅图像显示了四分之一波长天线位于地平面上方的发射模式。类似的结果可以计算在悬浮在GND平面上的PCB上的印刷天线。
这意味着，在适当的坐标系变换或保形映射下，具有地平面的天线可以重新定义为等效偶极子或只向半平面发射的高阶天线。事实上，多极展开技术在电磁学中被用于近似任意的电荷和电流系统，如偶极子、三极子、四极子等;同样的想法也适用于天线。
要了解为什么会这样，想想偶极天线是如何在真空中工作的，如下图所示。驱动器的等效功能是提供差模电流;当被驱动侧产生微分模时实际发生了什么返回当前在相反的极性。电荷在偶极天线两条腿上的分布如下所示。两边一起发射，产生在偶极天线中常见的甜甜圈形状的发射模式。
半波长偶极子天线中的电压和电流分布。
当天线被放置在地平面上时，地平面本质上就像偶极子天线的负侧一样，通过提供一个位置，电场可以终止在导体处的标准电场边界条件中定义的位置。GND平面使发射定向到该平面上方的半平面，并将天线的输入阻抗设置为可以与系统模拟前端匹配的特定值。
下面这张来自维基百科的图片显示了这两种情况之间的对应关系。从位于地平面上方的天线发出的电磁辐射，由于电磁波的作用而反射到地平面上波阻抗地平面上的不连续。如果我们在导体中插入一个图像天线，我们可以看到天线的发射和它的图像的叠加在观测点P产生了相同的场。
地面上的天线辐射。【来源:维基百科］
天线的模拟前端
PCB中天线设计和实现的下一个重点是天线模拟前端的构造。天线模拟前端的典型框图如下所示。
模拟前端框图。
模拟前端的工作是形成信号，并保证它在天线和收发器之间传输。在一些较小的系统(如物联网产品)中，中央处理器(MCU)通常内置了前端。设计人员只需要在天线中放置阻抗匹配网络和馈线。在不使用现成处理器的高功率系统中，模拟前端可以由离散组件构建。
在天线设计的典型方法中，设计人员在设计天线、馈线和匹配网络时，通常会考虑单个频率(载频)。然而，在为这些系统设计天线和信道时，考虑信号带宽是很重要的。如上所述，馈线和阻抗匹配部分可能会限制天线的接收和发射带宽。系统前端需要在此带宽范围内工作，以保证电磁能量的接收和发射。
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