2.4G WIFI 天线设计运用要点

2.4G WIFI 天线设计中主要运用了两种处理方式,板载的和通过同轴线连接的。板载的有PCB天线和陶瓷天线(chip antenna)。通过同轴线连接偶极子类天线种类很多,暂且不讨论。此三类天线只要是尺寸大小和成本上符合产品要求都可以使用。从性能及方便角度考虑推荐使用非板载天线,此类天线在应用时有更大的灵活性及更容易避免干扰;从成本考虑推荐板载PCB天线。当然无论哪种天线都必须保证50Ω阻抗匹配。

1、推荐的PCB天线

“倒F型” PCB天线是常用2.4G天线,优点在于运用简单,节约成本,辐射方向性和辐射效率都是通过测试验证了的,阻抗是50Ω。最好严格按照以上尺寸要求做天线PCB封装,单位是mm,铜皮厚1盎司。

粉红色的十字是天线的馈点,F中蓝色的那段接WIFI模块中的GND。绿色的区域是净空区,绿色区不应有任何的信号走线和铺铜。

必须注意F中蓝色的接地脚必须连接大片的连续的GND,而且是靠近WIFI模块,即RF_GND,因为倒F天线是单极天线,以地平面构成整个天线整体,如果此接地端的地面积太小或不连续,天线的馈点阻抗难以保证,整个天线难以谐振。左下是关于接地点不正确的做法,右下是正确的做法:

左图错误的原因在于接地点选择太偏,接地面积不够。

对天线空间的要求:

倒F型天线要求放置在PCB边缘,F的长边(下图红色箭头所指部分)边缘距离板边不超过0.4MM,F型长边所指向部分PCB不要有铜,如不能避免,要求距离有12MM以上。在天线周围不能有金属的东西,带金属的元件要可靠接地。外壳要求距离倒F天线正面6MM以上,电镀或金属壳部分要求12MM以上。

2、陶瓷天线

陶瓷天线内部结构是一段螺旋走线,使用陶瓷天线的优点是节约空间,但插损大,天线效率不高(10%——50%),成本花费高。

使用陶瓷天线时一定要外加π型网络,并让天线供应商提供匹配网络,才能达到理想效果。

使用陶瓷天线一定要注意留出足够的净空间。以下是针对此净空间模型做的天线效率的测试

模型1

测试结果:

D = 1mm        天线效率 40%

D = 3mm        天线效率 58%

D = 5mm        天线效率 63%

D = 6mm        天线效率 66%

模型2

测试结果

L2 = 1mm        天线效率 27%

L2 = 3mm        天线效率 41%        L1 = 3mm        天线效率 68%

L2 = 5mm        天线效率 45%

L2 = 7mm        天线效率 53%        L1 = 7mm        天线效率 51%

对天线空间的要求,根据上面的结论,建议D最少要求6MM,L2最少要求6MM,L1不超过3mm。天线对外壳正对距离6MM,金属及电镀部分要求12MM。

3、非板载的天线,建议机器的其他线不要同连接天线的同轴线平行甚至绕在一起,比如电池线,喇叭线等等。

4、微带线的计算

天线到WIFI模块馈点处传输线那一段需要严格按照50欧姆特性阻抗的走法。很多小工具都提供计算微带线的阻抗,以下是常用的,1mm板厚1盎司铜皮厚度的6层板和4层板计算出来的大概的线宽(1盎司=35um)

6层板计算出来的微带线宽度是0.34mm(340um)

4层板计算出来的微带线宽度是0.43mm(430um)

从以上工具中计算出来的结果可看出,线长L并不会影响最后的特性阻抗值,但这并不说明线长不重要,因为PCB板的辐射因素很多,线长在板上的增加会增加对干扰信号的接收。(此小工具由Agilentk开发)

5、对WIFI天线运用要点总结:

如果空间允许,最好不要选择太小尺寸的天线。

最好天线与附近物体之间有较大的净空区;否则匹配调节将会变得困难,辐射模式会受到严重扭曲。

天线的下方不应出现线路布局、接地层。

天线不应和金属物体放置太近,比如电池、芯片等,不应与电池等金属物有重叠。

注意内部缆线(如电池电源线)最好不要太靠近天线。

单极天线需要有合理的接地面才能发挥最好的效果。

在最终产品方案上进行天线匹配,可以减短调节周期;而在光板上往往需要反复调节。

不要使用金属外壳或带金属的塑料外壳盖在天线周围。

不要使用很细的天线馈电线,馈线应有一定的宽度,不应小于0.1mm。

总的来说,影响天线效率的几个方面如下:

关于提高整个WIFI性能的建议:

1、要确保电源稳定,电源不好会影响WIFI接收的误码率及增加发射的噪声,从而降低数据传输速度。建议电源纹波控制在3%内。如果用开关电源,要选足够大额定电流的电感,保证电感不会饱和,就算是瞬间饱和也要尽量避免。选低ESR的电容,建议只使用陶瓷电容。

2、要保证走线合理,走线尽量避免走到模块的下方,以保证模块下方可以打足够的过孔。

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