用于300MHz至450MHz發送器的小型天線

摘要：這篇應用筆記詳細介紹了用于遠程無線鑰匙門禁(RKE)，胎壓檢測器(TPM)、車庫開門器、家庭安全傳感器和電視遙控器等手持發送器的多種天線。并討論了環形/鞭狀天線、介質/“回形針天線”、常規鞭狀天線、螺旋天線和貼片天線，介紹了這些天線與Maxim發送器的匹配網絡。
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概述

用于遠程無線鑰匙門禁(PKE)、胎壓檢測器(TPM)、車庫開門器、家庭安全傳感器和電視遙控器的發送器需要小封裝天線。因此，幾乎所有這些應用中的天線都非常短(即尺寸為波長的十分之一甚至更短)。該應用筆記介紹了這些天線的組成并給出了相關阻抗的評估。
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天線類型

印刷電路板環形或鞭狀天線

印刷電路板環形或鞭狀天線是指在印刷電路板(PCB)上制作的圓形、橢圓、方形或矩形引線。如果設計采用雙層PCB，天線所在的PCB層的另一面需要裸露。不能有地層或其它引線放置在天線下面。

天線引線的“驅動”或“饋入點”為輸入端—直接或通過一個匹配網絡連接至功率放大器(PA)。匹配網絡元件放置在PCB另一層，地層的上方。通常在驅動端，地層在另一PCB層，所以，印刷天線區域是裸露的。印刷天線的另一端連接至地層，通常通過在PCB頂層引線終端處較大的覆銅區域實現，并通過很多過孔連接到地。

如果天線的另一端為斷開的，該天線則成為一個鞭狀天線，或單極天線。鞭狀天線可通過PCB布線實現，可以是直線或半圓、橢圓、方形或長方形。 圖1給出了一個PCB環形/鞭狀天線的示意圖。


圖1. PCB環形或鞭狀天線

一種多功能天線為環形，不會直接短接到地，其末端為焊盤/連線，可以斷開或短接到地。該焊盤通常帶有一個電感或電容，將天線調諧到適當頻率。

小環形天線具有手持發送器的典型尺寸(每邊長為2cm到5cm)，帶有一個30nH到100nH的電感和一個幾Ω的等效串聯電阻。理論上，串聯電阻小于1Ω，但板上損耗、介質損耗、其它電路元件的耦合損耗和測量誤差可能導致在使用網絡分析儀測量時阻值高達10Ω。

手持發送器中典型尺寸的鞭狀天線具有1pF至5pF的電容和幾Ω的等效串聯電阻。理論上小鞭狀天線的等效串聯電阻是同等尺寸環形天線等效電阻的10倍，但它仍然非常小，實際測得的電阻值和環形天線的電阻相同。

雖然印刷天線省錢，但其缺點是天線特性依賴于板材和引線本身的容差。有的表貼天線具有較好的可重復性，當對天線的一致性要求較高時，應考慮采用這種方式。
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凸狀天線或“曲別針”天線

凸狀天線或“曲別針”天線，如圖2所示，與印刷環形、鞭狀天線非常相似。通常為外部導線或平面金屬條，連接到PCB，增加了幾毫米的厚度，并具有印刷天線的輪廓。這種結構的優點是天線稍許遠離了PCB的其它元件。該天線的遠端通過一個絕緣支架使其懸空，或彎曲并連接到PCB上。放置在PCB上時，可以連接到焊盤上，通常可連接至地層、保持斷開或通過一個無源器件(如電感或電容)接地。


圖2. 凸狀天線

凸狀天線的阻抗與印刷天線的阻抗相同。
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傳統的鞭狀天線

一些手持設備在某一方向有足夠的空間放置傳統的鞭狀天線或“斷頭”天線。它通常是2cm至5cm的導線，有時候覆蓋了保護介質材料。這種天線可以選擇市場上現有的(OTS)天線，提供特定的性能規格，也可以利用金屬片自己制作(DIY)。OTS天線的阻抗與其它PCB天線相比具有更好的可重復性，這可能是由于天線具有更大的內部損耗，使其電阻較大。一些大尺寸OTS天線可能具有接近50Ω的阻抗，并且沒有電抗(容性或感性)，通常還利用一個內部電感來抵消容性負載，圖3給出了兩個獨立的鞭狀天線。


圖3. 獨立的鞭狀天線(圖片不包含天線參數)
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螺旋天線

螺旋天線很像一個較粗的鞭狀天線，通常為長度2cm至5cm的細線圈，圖4給出了相應的例子。許多用戶自己繞制線圈。螺旋天線也有很多市場上開始供貨的產品，絕大多數的螺旋天線具有20Ω至50Ω電阻、0Ω虛部阻抗(即沒有容性和感性阻抗)，從理論上看，線圈電感抵消了鞭狀天線的電容值。螺旋天線很容易匹配，但其輻射強度不會優于其它天線的輻射強度。


圖4. 螺旋天線(圖片不包含天線參數)
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片狀天線

片狀天線很少用在300MHz至450MHz系統，因為這些天線的常規尺寸為波長的四分之一。不像其它PCB天線，片狀天線在另一層PCB有一個地層。小尺寸片狀天線的阻抗與鞭狀天線的阻抗非常接近，因為天線的非驅動端開路，形成了一個電容。小尺寸片狀天線的阻抗等效于1pF至5pF電容與一個小電阻串聯。
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Maxim發送器的通用匹配網絡

圖5給出了一個良好的匹配網絡，用于實現Maxim發送器與上述任一天線的匹配。特定焊盤可由電感和電容組成，取決于所需的天線類型。串聯元件(E6)或并聯元件(E5)用于抵消一些或全部電抗，改變天線的等效電阻。元件E3、E4和E5通常用來構成一個π型網絡的低通濾波器(LPF)，抑制PA輸出的高次諧波。如果E5作為天線的一個調諧器件，其數值可被整合到π型網絡低通濾波器。電感(L1)用來隔離來自直流電源的RF干擾，電容(C1)為隔直流電容，需要時，可以選擇適當數值以實現其它阻抗變換。在125Ω至250Ω驅動電阻(實際電阻)時，絕大多數Maxim的發送器能夠提供最佳效率和功率輸出。唯一例外的是大功率的MAX7044，在電阻為60Ω到120Ω之間時工作最好，它能夠在負載阻抗較小時保持RF信號的電壓擺幅。


圖5. 發送器的通用匹配網絡，包括環形、鞭狀、螺旋或其它常用天線

圖6給出了一個小尺寸PCB環形天線的匹配網絡。選擇串聯電容(C4)以抵消大部分(不是所有)環路電感。該電感將小的串聯電阻轉換感性阻抗。


圖6. PCB環形天線的推薦匹配網絡