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适合2.4GHz无线信号的低成本PCB天线: 适用于STM32WB系列的弯折天线设计

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STMCU小助手 发布时间:2022-7-11 22:01
引言
& U8 K4 N' r$ N: n; ?' ]此应用笔记专用于STM32WB系列微控制器。$ C5 `2 K* s, h6 t9 i
使用PCB(印刷电路板)天线的主要原因之一是降低无线模块的总成本。通过精心设计和实施,PCB印刷天线拥有与同样功能的SMD(表面贴装器件)陶瓷天线相似的性能。; d( W0 F: X; T/ p- ^
一般而言,陶瓷SMD天线的封装尺寸小于PCB印刷天线的尺寸。对于PCB印刷天线解决方案,PCB相对于天线所需空间的尺寸有所增加,这意味着无线模块更大,PCB成本也随之增加。然而,PCB解决方案通常比SMD陶瓷天线更廉价。3 `6 H/ E$ V4 J) ?" I
STM32WB系列的演示和开发板根据本应用笔记实现PCB印刷天线。
! r  r; V( c( @) N+ D  g- m/ x  d* [0 \/ Y- U  U5 H

. K8 Z1 l( ^+ _  h$ M1概述
, p# G( U$ B, K- Z本文档适用于基于ARM的STM32WB系列器件。# N" [6 Z! D+ s6 k

: q! C& E% F0 M( J  i" p7 N$ ?2坐标系
  P3 w: N: p5 O% S对于本文档,使用的是图 1所示的球坐标系。
5 w, T/ F; P6 }  M3 f
8 C* \: f" h7 w" V7 @
](M)0FMOOSD3U`Y)}LFK2TJ.png
- \2 }0 ]' `" k! v$ I& Y2 N1 Q0 c! q3 Y" J- H
PCB模块垂直(X-Z平面)靠近坐标系原点。方位角从X轴到Y轴,倾斜角从Z轴到X-Y平面。1 M0 S% }1 ^0 v6 V1 W  o2 x
有时,对于地理和导航系统,X轴称为“法线轴”,Y轴称为“东轴线”,Z轴称为“天顶轴”。
6 Q- Q, ~8 M# B0 G, q" Y" @8 p- O, D" r
3 布局规范0 t0 A& g& j% N& x& F
PCB天线包括所用PCB物料的电气参数,这对布局要求非常严格。建议使用尽可能类似图 2所示的布局。
* Y# I+ z! ?2 W# c( Y# u
2 J! [) H9 V3 K. ?- o; q
. C9 Y7 l9 N$ S8 {2 r  Q
V](C[{GA3NKS$`53N}QE_$H.png
' I* z6 k% {& `
% m& c* ^: ?! {/ j3 R7 C7 a" a" n
  C+ P. H. u" N! `3 _" O
图 3图示了PCB天线区域中基板的典型横截面。
1 q+ s, h! ?& l8 K$ x
4 B. h# |; X5 U# O9 I$ i3 U

9 P* H" [( d  V A3C~G59[O]Z1Q%~FU_91YXE.png 8 s; I: t' d  T: X' ]0 C" G

, \7 ?9 L/ [. i7 S

7 b! `+ y6 P! a0 r" h4 阻抗匹配
% p4 N; V4 s1 E. n1 l9 S通过π拓扑的阻抗匹配电路,PCB弯折天线可调谐为所需的50 Ω阻抗。在图 2中,阻抗匹配区域用虚线标记。在正常条件下,该天线的阻抗与所需标称阻抗(50 Ω)非常接近。8 e& C$ z6 b' M7 J( q3 W
为了检查此设计的性能,制造了一个天线样本(根据本文档中的规范)。图 4显示了此天线。
2 a' L' p1 S2 I" U. M- A7 c, J! {0 P3 Z
0 |3 v* V, w8 U- O0 H1 Z" c  c
[OI7`B}XF61ESUT@LIOC.png 8 j& j, H1 [( J7 [+ a7 C+ X
6 [, ]2 K! ~7 q% Q! ^, |4 e
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, F8 [8 y9 B* Q- k
/ l8 ~. ~; c4 i6 U( w

, I6 h, _' ?4 l# z4 K8 g* j; v天线的复阻抗如图 6中的史密斯图所示。  j1 O$ L, f* X$ U0 c& {0 w
3 f' ^/ i0 a2 |  g+ g/ H

8 p+ J( `, w6 _7 l- S 2@I328DHXWHT~9OY8BN[ELL.png ( g& }) z2 ~/ ^& |

8 I7 i/ n# q2 S# y( b4 C7 N  m  L

7 a5 }- m5 Q6 `0 k  a" g! K0 \7 T! m; W图 7显示了S11参数的幅值(对数标度)。* x* C4 u% T7 j
& u. d; M7 @& w2 X& ], p4 C$ m

+ C: ?; M$ l5 X; ]# K A5@H(U)[GQ`WVYZ8TQ3NHO6.png
6 W# e- I, V2 u5 ^& ?
% Y' L- Z4 c1 {+ h1 c8 I7 ~

0 S' ~9 U# {$ S图 8显示了驻波比(SWR)。
; H- O. ?8 r. D/ D! h' i( z9 a8 Z" M

( G7 E  d, j2 o: G XXPC0I43XWa3$]4DJ3E{4.png * q; d6 {. E# o2 I3 V) O" g

* W5 m) [7 v1 X( o  y( y# s' A8 K
; B  i; L" d8 W- B4 w. ^& j
下列更改会影响PCB天线的辐射阻抗:- }* x+ ]" D5 {9 N
• 板子尺寸小幅变动% g/ O/ Z7 X/ y/ `
• 金属屏蔽
0 G3 u# P% l8 p/ u" |* U8 B: H• 使用塑料盖; L$ d5 Q+ n! X
• 天线附近存在其他元件
! \# S$ z- P% {0 P最优性能阻抗匹配电路可以补偿这些影响,从而在工作频率方面实现最优50 Ω 阻抗。: J$ q# d5 J7 D$ P) k, W9 k

# f$ B# \$ A  o. i& j
* U# M+ Q( {) p) s6 u完整版请查看:附件% H5 S  U1 }4 p& T2 G

5 H5 j/ s+ Y- W) E& e
" R' `, M3 m$ J2 A, z- [0 c2 {( I- p) b9 \

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