用于300MHz至450MHz發(fā)射器的小型天線

本應(yīng)用筆記詳細(xì)介紹了當(dāng)今手持式發(fā)射器應(yīng)用中使用的各種天線，例如遙控?zé)o鑰匙進(jìn)入（RKE）系統(tǒng)、胎壓監(jiān)測器（TPM）、車庫開門器、家庭安全傳感器，甚至電視遙控器。本應(yīng)用筆記討論了環(huán)形/鞭狀天線、凸起條形天線/“回形針”天線、傳統(tǒng)鞭狀天線、螺旋天線和貼片天線，并介紹了將其與Maxim發(fā)送器匹配的網(wǎng)絡(luò)。

介紹

用于遙控?zé)o鑰匙進(jìn)入 （RKE）、胎壓監(jiān)測器 （TPM）、車庫開門器、家庭安全傳感器和電視遙控器的發(fā)射器天線需要安裝在非常小的封裝中。正因為如此，這些應(yīng)用中使用的幾乎所有天線都是電短的（即，尺寸為0.1波長或更短）。本應(yīng)用筆記描述了這些天線是如何形成的，并給出了其阻抗的估計值。

天線類型

印刷電路板環(huán)路或鞭狀天線

印刷電路板環(huán)路或鞭狀天線是印刷電路板 （PCB） 上的圓形、橢圓形、方形或矩形走線。假設(shè)應(yīng)用使用雙面PCB，則天線下方PCB的另一側(cè)應(yīng)該是裸露的。天線下方不應(yīng)放置接地層或其他走線。

輸入（也稱為天線走線的“驅(qū)動”或“饋電點”端）直接或通過匹配網(wǎng)絡(luò)連接到功率放大器（PA）。匹配網(wǎng)絡(luò)中的元件位于PCB另一側(cè)的接地層上方。通常在驅(qū)動端，PCB另一側(cè)的接地層端端，使得印刷天線下方的區(qū)域是裸露的。印刷天線的另一端連接到接地層。這通常是通過在PCB頂層的大面積結(jié)束走線來完成的，該P(yáng)CB頂層通過過孔連接到下面的接地層。但是，也可以通過將天線的末端直接連接到下方的接地層來完成。

如果天線的另一端打開，天線將變成鞭狀天線或單極天線。鞭子可以通過運(yùn)行直線或圓形、橢圓形、正方形或矩形的一部分的走線在 PCB 上打印。圖1是PCB環(huán)形/鞭狀天線的示意圖。

圖1.PCB 環(huán)路或鞭狀天線。

多功能天線是一個環(huán)路，它不以接地短路結(jié)束，而是以可以打開或短路接地的焊盤/連接結(jié)束。焊盤可以裝有電感器或電容器，以幫助天線進(jìn)行適當(dāng)?shù)念l率調(diào)諧。

具有手持式發(fā)射器典型尺寸（每側(cè)2cm至5cm）的小環(huán)路具有30nH至100nH的電感和幾歐姆的等效串聯(lián)電阻。理論上，串聯(lián)電阻小于10歐姆，但電路板損耗、任何蓋子的介電損耗、與其他電路元件的耦合以及測量容差都可能導(dǎo)致電阻部分使用網(wǎng)絡(luò)分析儀測量高達(dá)<>Ω。

具有手持式發(fā)射器典型尺寸的小鞭子具有1pF至5pF的電容和幾歐姆的等效串聯(lián)電阻。小鞭子的理論串聯(lián)電阻大約是相同尺寸的小環(huán)路的串聯(lián)電阻的10倍，但它仍然很小，實際測量的電阻與環(huán)形天線大致相同。

雖然印刷天線可以節(jié)省資金，但使用它們的缺點是它們的特性取決于電路板材料和走線的制造公差。表面貼裝天線具有更可重復(fù)的特性，當(dāng)天線設(shè)計的一致性很重要時，應(yīng)考慮它們。

凸起條形或“回形針”天線

凸起條形或回形針天線（如圖 2 所示）與印刷環(huán)形天線或鞭狀天線非常相似。通常，它是連接到PCB的外部電線或扁平金屬條，上升幾毫米，然后遵循與印刷天線相同的輪廓。這種類型的一個小優(yōu)點是天線與PCB上的其他組件略有距離。天線的遠(yuǎn)端可以保持浮動，由非導(dǎo)電支架支撐，或向下彎曲并連接到PCB。一旦進(jìn)入PCB，它可以進(jìn)入一個焊盤，該焊盤可以填充以連接到接地層，保持打開，或通過電感器或電容器等無源元件連接到地。

圖2.凸起條形天線。

凸起條形天線的阻抗與印刷天線的阻抗非常相似。

傳統(tǒng)鞭狀天線

一些手持設(shè)備在另一個方向上有空間用于傳統(tǒng)的鞭狀天線或“短截線”天線。這通常是2厘米到5厘米的電線，有時用保護(hù)性介電材料覆蓋。它可以是帶有性能數(shù)據(jù)的現(xiàn)成 （OTS） 天線，也可以是“自己動手”的金屬片。OTS天線比某些PCB天線具有更多的可重復(fù)阻抗特性，這可能是因為這些天線經(jīng)歷更多的內(nèi)部損耗，使其電阻更大。一些較大的OTS天線可能具有接近50Ω的阻抗，沒有電抗（電容或電感）。它們還可能具有一個內(nèi)部電感器，可以調(diào)諧電容。圖 3 顯示了兩個獨立的鞭狀天線。

圖3.獨立的鞭狀天線。（圖片由Antenna Factor提供。

螺旋天線

螺旋天線看起來非常像厚厚的鞭狀天線。它通常是長度為2cm至5cm的細(xì)線線圈，其示例如圖4所示。許多用戶為自己的應(yīng)用纏繞自己的線圈。還有螺旋天線的OTS版本。這些螺旋天線中的大多數(shù)具有20Ω至50Ω實數(shù)阻抗和幾乎0Ω虛數(shù)阻抗（即沒有電容或電感）。這些值的基本原理是繞組的電感抵消了鞭狀天線的固有電容。螺旋天線很容易匹配，但它們的輻射并不比其他相同尺寸的天線好。

圖4.螺旋天線。（圖片由天線因素提供。

貼片天線

貼片天線很少在300MHz至450MHz中使用，因為這些天線的傳統(tǒng)尺寸通常是波長的四分之一。與其他PCB天線不同，貼片天線在PCB的另一側(cè)有一個接地層。小貼片天線的阻抗類似于鞭子的阻抗，因為天線的非驅(qū)動端是開放的，形成電容。小型貼片天線的阻抗看起來像具有小串聯(lián)電阻的1pF至5pF電容器。

Maxim變送器的通用匹配網(wǎng)絡(luò)

圖5顯示了將Maxim發(fā)送器與上述任何天線匹配的良好網(wǎng)絡(luò)。分配的焊盤可以由電感器或電容器填充，具體取決于所需的天線類型。串聯(lián)元件E6或并聯(lián)元件E5可用于調(diào)出部分或全部電抗并改變天線的等效電阻。元件E3、E4和E5通常用于形成pi網(wǎng)絡(luò)低通濾波器（LPF），以抑制PA輸出的高次諧波。如果將 E5 用作天線的調(diào)諧元件，則其值可以與 pi 網(wǎng)絡(luò) LPF 所需的值組合。需要電感（L1）將RF與直流電源隔離，需要電容（C1）來提供直流模塊，但如果需要，也可以選擇它們的值來執(zhí)行另一個阻抗變換。大多數(shù)Maxim發(fā)送器在驅(qū)動125Ω至250Ω的電阻（實際阻抗）時，都能以最佳效率和功率輸出工作。例外情況是更高功率的MAX7044，它在60Ω至120Ω電阻的電阻下工作得最好，因為它在較小的負(fù)載電阻上保持RF電壓擺幅。

圖5.采用環(huán)形天線、鞭狀天線、螺旋天線或其他常見天線的發(fā)射器的通用匹配網(wǎng)絡(luò)。

圖6顯示了小型PCB環(huán)形天線的匹配網(wǎng)絡(luò)。選擇串聯(lián)電容C4的值來調(diào)出環(huán)路的大部分（但不是全部）電感。該電感將小串聯(lián)電阻轉(zhuǎn)換為網(wǎng)絡(luò)其余部分更易于管理的電阻。

圖6.匹配PCB環(huán)形天線的網(wǎng)絡(luò)建議。

審核編輯：郭婷