应用笔记 4302

用于300MHz至450MHz发送器的小型天线


摘要 : 这篇应用笔记详细介绍了用于远程无线钥匙门禁(RKE),胎压检测器(TPM)、车库开门器、家庭安全传感器和电视遥控器等手持发送器的多种天线。并讨论了环形/鞭状天线、介质/“回形针天线”、常规鞭状天线、螺旋天线和贴片天线,介绍了这些天线与Maxim发送器的匹配网络。

概述

用于远程无线钥匙门禁(PKE)、胎压检测器(TPM)、车库开门器、家庭安全传感器和电视遥控器的发送器需要小封装天线。因此,几乎所有这些应用中的天线都非常短(即尺寸为波长的十分之一甚至更短)。该应用笔记介绍了这些天线的组成并给出了相关阻抗的评估。

天线类型

印刷电路板环形或鞭状天线

印刷电路板环形或鞭状天线是指在印刷电路板(PCB)上制作的圆形、椭圆、方形或矩形引线。如果设计采用双层PCB,天线所在的PCB层的另一面需要裸露。不能有地层或其它引线放置在天线下面。

天线引线的“驱动”或“馈入点”为输入端—直接或通过一个匹配网络连接至功率放大器(PA)。匹配网络元件放置在PCB另一层,地层的上方。通常在驱动端,地层在另一PCB层,所以,印刷天线区域是裸露的。印刷天线的另一端连接至地层,通常通过在PCB顶层引线终端处较大的覆铜区域实现,并通过很多过孔连接到地。

如果天线的另一端为断开的,该天线则成为一个鞭状天线,或单极天线。鞭状天线可通过PCB布线实现,可以是直线或半圆、椭圆、方形或长方形。 图1给出了一个PCB环形/鞭状天线的示意图。

图1. PCB环形或鞭状天线
图1. PCB环形或鞭状天线

一种多功能天线为环形,不会直接短接到地,其末端为焊盘/连线,可以断开或短接到地。该焊盘通常带有一个电感或电容,将天线调谐到适当频率。

小环形天线具有手持发送器的典型尺寸(每边长为2cm到5cm),带有一个30nH到100nH的电感和一个几Ω的等效串联电阻。理论上,串联电阻小于1Ω,但板上损耗、介质损耗、其它电路元件的耦合损耗和测量误差可能导致在使用网络分析仪测量时阻值高达10Ω。

手持发送器中典型尺寸的鞭状天线具有1pF至5pF的电容和几Ω的等效串联电阻。理论上小鞭状天线的等效串联电阻是同等尺寸环形天线等效电阻的10倍,但它仍然非常小,实际测得的电阻值和环形天线的电阻相同。

虽然印刷天线省钱,但其缺点是天线特性依赖于板材和引线本身的容差。有的表贴天线具有较好的可重复性,当对天线的一致性要求较高时,应考虑采用这种方式。

凸状天线或“曲别针”天线

凸状天线或“曲别针”天线,如图2所示,与印刷环形、鞭状天线非常相似。通常为外部导线或平面金属条,连接到PCB,增加了几毫米的厚度,并具有印刷天线的轮廓。这种结构的优点是天线稍许远离了PCB的其它元件。该天线的远端通过一个绝缘支架使其悬空,或弯曲并连接到PCB上。放置在PCB上时,可以连接到焊盘上,通常可连接至地层、保持断开或通过一个无源器件(如电感或电容)接地。

图2. 凸状天线
图2. 凸状天线

凸状天线的阻抗与印刷天线的阻抗相同。

传统的鞭状天线

一些手持设备在某一方向有足够的空间放置传统的鞭状天线或“断头”天线。它通常是2cm至5cm的导线,有时候覆盖了保护介质材料。这种天线可以选择市场上现有的(OTS)天线,提供特定的性能规格,也可以利用金属片自己制作(DIY)。OTS天线的阻抗与其它PCB天线相比具有更好的可重复性,这可能是由于天线具有更大的内部损耗,使其电阻较大。一些大尺寸OTS天线可能具有接近50Ω的阻抗,并且没有电抗(容性或感性),通常还利用一个内部电感来抵消容性负载,图3给出了两个独立的鞭状天线。

图3. 独立的鞭状天线(图片不包含天线参数)
图3. 独立的鞭状天线(图片不包含天线参数)

螺旋天线

螺旋天线很像一个较粗的鞭状天线,通常为长度2cm至5cm的细线圈,图4给出了相应的例子。许多用户自己绕制线圈。螺旋天线也有很多市场上开始供货的产品,绝大多数的螺旋天线具有20Ω至50Ω电阻、0Ω虚部阻抗(即没有容性和感性阻抗),从理论上看,线圈电感抵消了鞭状天线的电容值。螺旋天线很容易匹配,但其辐射强度不会优于其它天线的辐射强度。

图4. 螺旋天线(图片不包含天线参数)
图4. 螺旋天线(图片不包含天线参数)

片状天线

片状天线很少用在300MHz至450MHz系统,因为这些天线的常规尺寸为波长的四分之一。不像其它PCB天线,片状天线在另一层PCB有一个地层。小尺寸片状天线的阻抗与鞭状天线的阻抗非常接近,因为天线的非驱动端开路,形成了一个电容。小尺寸片状天线的阻抗等效于1pF至5pF电容与一个小电阻串联。

Maxim发送器的通用匹配网络

图5给出了一个良好的匹配网络,用于实现Maxim发送器与上述任一天线的匹配。特定焊盘可由电感和电容组成,取决于所需的天线类型。串联元件(E6)或并联元件(E5)用于抵消一些或全部电抗,改变天线的等效电阻。元件E3、E4和E5通常用来构成一个π型网络的低通滤波器(LPF),抑制PA输出的高次谐波。如果E5作为天线的一个调谐器件,其数值可被整合到π型网络低通滤波器。电感(L1)用来隔离来自直流电源的RF干扰,电容(C1)为隔直流电容,需要时,可以选择适当数值以实现其它阻抗变换。在125Ω至250Ω驱动电阻(实际电阻)时,绝大多数Maxim的发送器能够提供最佳效率和功率输出。唯一例外的是大功率的MAX7044,在电阻为60Ω到120Ω之间时工作最好,它能够在负载阻抗较小时保持RF信号的电压摆幅。

图5. 发送器的通用匹配网络,包括环形、鞭状、螺旋或其它常用天线
图5. 发送器的通用匹配网络,包括环形、鞭状、螺旋或其它常用天线

图6给出了一个小尺寸PCB环形天线的匹配网络。选择串联电容(C4)以抵消大部分(不是所有)环路电感。该电感将小的串联电阻转换感性阻抗。

图6. PCB环形天线的推荐匹配网络
图6. PCB环形天线的推荐匹配网络