【经验】聚元微电子PL51WT020＆PL116X系列2.4G RF天线设计说明

时间： 2023-02-07 来源：PMICRO

技术问答

PMICRO（聚元微电子）在本文中使用简单的术语介绍了天线的设计情况，并推荐了两款经过测试的低成本PCB天线。这些PCB天线能够与PL51WT020、PL116X系列中的2.4G RF解决方案配合使用。为了使性能最佳，2.4G RF射频必须与其天线正确匹配。

天线是无线系统中的关键组件，它负责发送和接收来自空中的电磁辐射。为低成本、消费广的应用设计天线，并将其集成到手提产品中是大多数原装设备制造商（OEM）正在面对的挑战。终端客户从某个RF产品（如电量有限的纽扣型电池）获得的无线射程主要取决于天线的设计、塑料外壳以及良好的PCB布局。

设计优良的天线可以扩大无线产品的工作范围。从无线模块发送的能量越大，在已给的数据包误码率（PER）以及接收器灵敏度固定的条件下，传输的距离也越大。另外，天线还有其他不太明显的优点，例如：在某个给定的范围内，设计优良的天线能够发射更多的能量，从而可以提高错误容限化（由干扰或噪声引起的）。同样，接收端良好的调试天线可以在极小的辐射条件下工作。

最佳天线可以降低PER，并提高通信质量。PER越低，发生重新传输的次数也越少，从而可以节省电池电量。

天线原理

天线一般指的是裸露在空间内的导体。该导体的长度与信号波长成特定比例或整数倍时，它可作为天线使用。因为提供给天线的电能被发射到空间内，所以该条件被称为“谐振”。

导体的波长为λ/2，其中λ为电信号的波长。信号发生器通过一根传输线（也称为天线馈电）在天线的中心点为其供电。按照这个长度，将在整个导线上形成电压和电流驻波。

输入到天线的电能被转换为电磁辐射，并以相应的频率辐射到空中。该天线由天线馈电供电，馈电的特性阻抗为50Ω，并且辐射到特性阻抗为377Ω的空间中。

长度为λ/2的天线被称为偶极天线。但在印刷电路板中，大多作为天线使用的导体长度仅为λ/4，但仍具有相同的性能。

通过在导体下方一定距离的位置上放置接地层，可以创建与导体长度相同的镜像（λ/4）。被组合在一起时，这些引脚作为偶极天线使用。这种天线被称为四分之一波长（λ/4）天线。

PCB上几乎所有的天线都按铜制接地层上四分之一波长的尺寸实现。请注意，该信号现在是单端馈电，同时接地层作为返回路径使用。

图：1/4波长天线

对于大多数PCB中使用的四分之一波长天线，需要特别注意：

1.天线长度

2.天线馈电

3.接地层和回流路径的形状和尺寸

天线类型

如前部分所述，在自由空间中裸露的波长为λ/4的所有导体被放在一个接地层上，并为其提供合适的电压，那么该导体可以作为一个天线使用。根据不同的波长，天线可能与汽车的FM天线一样长，也可能与信号浮标上的走线一样短。对于2.4GHz的应用，大部分PCB天线都属于下面的类型：

1.导线天线：这是在PCB上延长到自由空间中的一段导线，它的长度为λ/4，并被放置在接地层上。这种天线是由50Ω阻抗的传输线供电的。通常，该导线天线提供的性能和辐射范围最好。该导线可以是直线、螺旋或是回路的。它是一个三维（3D）的结构，其中天线高出PCB约4-5mm，并伸出到空间内。

2.PCB天线：它是PCB上的一根PCB走线，并且可以将其画成直线形走线、反转的F形走线、蛇形或圆形走线等。在一个PCB天线中，与导线天线不同的是，该天线没有被露到外部空间内，而是在同一个PCB层上以二维（2D）结构形式存在。当裸露到空间外的3D天线被放置到PCB层上作为2D的PCB走线时，必须遵循一定的指南。一般情况下，与导线天线相比，它需要的PCB空间更大，效率也低，但成本低，并且可以给2.4G RF应用提供可接受的无线距离。

3.芯片天线：这是一种带有导体的天线，天线和导体都被组装在小型的IC封装中。当天线被封装在很小的尺寸内时，它会变得很有优势。无线USB的收发器等应用会使用这种天线，当PCB上没有足够的空间来布局PCB天线时。

天线参数

下面部分提供了天线性能的某些关键参数。

回波损耗：天线的回波损耗表示天线如何与阻抗为50Ω的传输线（TL）实现匹配。通常，这个TL的阻抗值为50Ω，但也可以是其他数值。对于工业标准，商业天线和它的测试设备的电阻为50Ω，因此建议您最好使用该值。回波损耗指出：由于不匹配，天线反射的入射功率大小。一个理想的天线会发射全部功率，不会产生任何反射。

带宽：是指天线的频率响应。它表示在采用的整个频带上，即在2.4G RF应用的2.4GHz至2.48GHz的范围内，该天线与50Ω的传输线如何相互匹配。

辐射效率：指的是非反射功耗中的一部分被消耗为天线中的热量。产生热量是由于FR4基板中的介电损耗以及铜线中的导体损耗造成的。该信息作为辐射效率。辐射效率为100%时，全部非反射的功耗都被发射到空间内。对于小型的PCB外形因素，热耗最小。

辐射图型：该图型表示辐射的方向性，即表示在哪个方向上的辐射更大，哪个方向上的辐射更小。这有助于在应用中准确地确定天线的方向。无方向性天线可以按与轴线相垂直的平面上所有方向进行等效发射。但大多数天线都达不到这个理想的性能。

增益：增益提供了所采用方向的辐射与各向同性天线（即可从所有方向进行发射）进行对比的信息。增益单位为dBi，即表示在与一个理想的无方向性天线进行对比时辐射的场强。

2.4G RF天线

2.4G RF推荐使用蛇形倒F天线（MIFA）和倒F天线（IFA）这两种PCB天线，这些天线既便宜又容易设计，这是因为它们是PCB的组成部分，并且能够提供良好的性能。

蛇形倒F天线（MIFA）：MIFA是一种普通的天线，被广泛地使用在各个人机接口设备（HID）中，因为它占用的PCB空间较小。如图显示的是所推荐的MIFA天线的详细布局，其中包含了双层PCB的顶层和底层。

天线长度的考量：根据PCB的不同厚度，需要调整MIFA天线的长度，这样才能调整天线辐射的阻抗和频率选择。

倒F天线（IFA）：对于天线的尺寸有一定限制条件的应用中，推荐您选用这种IFA。与MIFA相比，IFA的宽高比（宽度和高度的比例）更大。

导线天线：导线天线是传统的旧式天线，将一条铝线或铜线固定在PCB上面便构成了这种天线。由于它们作为3D天线裸露在空气中，所以它们的射频性能非常好。这种天线具有最好的信号范围和最等向的辐射方向图。

对于要求小外形天线的2.4G RF应用，不建议使用这种天线，因为它会占用较大空间和垂直高度。

但如果有足够的空间（如智能照明应用中），那么这种天线可实现最佳的射频范围、方向性以及辐射方向图等性能。

导线天线具有最佳的射频性能。与其他天线相比，导线天线的天线增益和辐射性能是最好的。

环境对天线性能的影响

通常消费类产品中所使用的天线对PCB射频接地层的大小和产品的塑料外壳非常敏感。可将天线模拟为一个LC谐振器，当L（电感）或C（电容）增加时，该LC谐振器的谐振频率会下降。更大的射频接地层和塑料外壳会增大有效电容，从而降低谐振频率。

接地层的影响：通过实验和测量证，射频接地层的面积越大，那么谐振频率越低，并且接地层也越好，因此回波损耗也会越小。这便是好的PCB布局中的关键条件。给四分之一波长的天线提供的接地层越好，它与理论性能的关系也会越好。这是进行天线设计中的关键概念，可以解决没有足够空间提供给接地小型模块天线的困难。

塑料外壳的影响：将天线放置在靠近塑料外壳的地方时，谐振频率会降低。

产品外壳和接地层说明

必须确保在天线末梢或天线长度范围附近不能有任何组件、固定螺钉或接地层。

电池线或音频线不能穿过天线或PCB上天线布线的同一侧面。

不能将金属外壳完全覆盖天线。如果产品外壳是金属的或是一个保护罩，请不要将外壳完全覆盖掉天线。

天线的方向应该符合最终产品的方向，这样使天线在所需的方向上具有最大的辐射。

应该具有足够的空间：接地层越大，MIFA、IFA、芯片天线和导线天线的S11参数值（回波损耗）会越高。

天线正下方不应该存在任何接地层。

从天线到接地层要有足够的空间（间隙），该接地层的宽度应该最小。

典型智能照明应用PCB图

以上设计说明仅供参考，由于产品的外观、需求的多样性及复杂度不同，实际产品设计中需要详细调试并测试考核，选择合适的天线类型及参数。

发送到邮箱 |
+1 赞 0
收藏
评论 0
| 转发至：

本文由Topaz转载自PMICRO，原文标题为:PL51WT020 & PL116X 2.4G RF 天线设计说明，本站所有转载文章系出于传递更多信息之目的，且明确注明来源，不希望被转载的媒体或个人可与我们联系，我们将立即进行删除处理。

全部评论（0）

暂无评论

【经验】解析聚元微MCU PL51T003与PL51A003的对比说明

PMICRO（聚元微电子）致力于无线智能传感芯片、物联网芯片的研发、生产、销售，成为其解决方案的重要提供者，产品广泛应用于小家电、智能家居、消费电子、工业控制、智能照明等领域。本文解析聚元微MCU PL51T003与PL51A003的对比说明。

设计经验发布时间 : 2023-01-01

PMICRO（聚元微电子）MCU/RF芯片/电源管理芯片选型表（简版）

描述- 苏州聚元微电子股份有限公司成立于2010年11月，总部位于江苏省苏州工业园区，并在上海、深圳、中山等地成立了分支机构。苏州聚元微电子股份有限公司是国家高新技术企业，并获得省双创、姑苏领军等称号，拥有多项集成电路技术发明专利。

型号- PL3327BF,PL3365C,PL3327BE,PL51T003N24,PL51WT020B24,PL3369BE,PL3327BD,PL3735,PL332X,PL3736,PL57WT02X,PL3323BS,PL3733A,PL3761A,PL3365B,PL3391AS,PL3737,PL51T003N20,PL3365A,PL3718A,PL1165,PL51A003,PL1167,PL3758A,PL51WT021S16,PL51T003B24,PL3327BS,PL3710A,PL51A003S16,PL333X,PL3366A,PL3366C,PL3366B,PL3378C,PL373X,PRC522,PL51T020,PL3395AD,PL3753,PL51WT003S16,PL1165S8,PL57系列,PL51A003N24,PL51A003N20,PL3326BE,PL51T020B24,PL3368BE,PL3326BD,PL51T020N24,PL3367B,PL3379C,PL51T020N20,PL3367C,PL339X,PL51T020N16,PL3326BS,PL57WT020S16,PL3369CE,PL3368C,PL3368B,PL371X,PL51X003,PL3331,PL3332,PL3394AD,PL3394AE,PL3330,PL3731,PL51WT02X,PL3333,PL51A003B24,PL3329BD,PL3393AS,PL51T003T20,PL3325BD,PL3325BE,PL376X,PL1166A,PL3765A,PL3369B,PL3115B,PL3369C,PL3563B,PL51WT020T20,PL51T020S16,PL3325BS,PL3738A,PL337X,PL3368CE,PL3766A,PL3116B,PL3322B,PL3393AD,PL3715A,PL51WT020S16,PL57,PL51,PL51T003S20,PL3328BD,PL51T003S24,PL3755,PL51WT003B24,PL3756,PL51NF103X,PL51A003T20,PL51系列,PL3768A,PL3716A,PL51T003S16,PL51NF103C,PL51NF103B,PL3376C,PL51NF103A,PL375X,PL51WT003,PL51RC003,PL3760A,PL3376A,PL57WT021S1,PL3392AD,PL3717A,PL51T020S8,PL3379,PL3757A,PL336X,PL51T020T20,PL1167/T16,PL3769A,PL51T003,PL3378

选型指南 - PMICRO - 2022.06 PDF 中文下载

PL51WT020 Low Power High Performance ADC/Touch Key 2.4GHz RF SOC

型号- PL51WT020

数据手册 - PMICRO - V0.3 - 2019/10/28 PDF 英文下载

产品选型与应用

型号- PL51WT020B24,PL51NT025N24,PL51NF020W,PL332X,PL339X SERIES,PL51WT003X SERIES,PL337XC,PL3395BD,PL51A003,PL51WT021S16,PL3381T,PL51WT203X,PL57WT022S16,PL51NT020E8,PL3328CD,PL51A003S16,PL3366C,PL3378C,PL51T203N32,PL51WT203B24,PL51T020,PL51A003S8,PL51WT003S16,PL3382T,PL51T020X SERIES,PL51T020系列,PL51A003N24,PL51A003N20,PL51T020B24,PL332XC,PL51T020N24,PL3379C,PL51WT02X SERIES,PL336XC,PL51T020N20,PL51A003系列,PL51WT203S16,PL3367C,PL3394BD,PL339X,PL51T020N16,PL3383T,PL336X SERIES,PL51T020X,PL51T203T20,PL51WT003X,PL3327CE,PL332X SERIES,PL57WT020S16,PL51NT021E8,PL3369CE,PL3327CD,PL3323CS,PL3368C,PL3391BS,PL3331,PL3332,PL51T203X SERIES,PL3330,PL51WT022S16,PL3327CS,PL51WT02X,PL3333,PL51T203,PL51A003B24,PL33333,PL51A003X,PL3397B,PL3563C,PL51T203系列,PL51NT024N10,PL57WT021S16,PL1166A,PL3369C,PL1165E8,PL339XB,PL3393BD,PL51WT020T20,PL1169E8,PL51T020S16,PL337X SERIES,PL337X,PL51T203S24,PL3367CE,PL51T203S20,PL3382,PL3383,PL3380,PL3381,PL3782E,PL3782D,PL3326CD,PL51NT022E8,PL3368CE,PL3326CE,PL51RC103,PL3322C,PL3398B,PL3326CS,PL51T203L32,PL51WT020S16,PL339XB系列,PL51WT022B24,PL3783D,PL51WT203X SERIES,PL51T203X,PL51NF022W,PL51WT003B24,PL51A003T20,PL51T203B24,PL3392BD,PL3376C,PL3329CD,PL337XC系列,PL51T203S28,PL3325CD,PL332XC系列,PL3325CE,PL51NF021W,PL3325CS,PL3393BS,PL51T020S8,PL3380L,PL336X,PL51T020T20,PL51A003X SERIES

选型指南 - PMICRO - 2024/4/24 PDF 中文下载

PL51WT020 ADC/Touch Key Low Power High Performance 2.4GHz RF SOC Datasheet

型号- PL51WT020S16R,PL51WT020T20,PL51WT020B24,PL51WT020T24,PL51WT020S16,PL51WT020

数据手册 - PMICRO - V1.0 - 2021/03/18 PDF 英文下载

PMICRO（聚元微电子）MCU/RF芯片/电源管理芯片选型指南

描述- 苏州聚元微电子股份有限公司成立于2010年11月，总部位于江苏省苏州工业园区，并在上海、深圳、中山等地成立了分支机构。苏州聚元微电子股份有限公司是国家高新技术企业，获得江苏省工程技术研究中心、省双创、姑苏领军等称号，拥有多项集成电路技术发明专利。

型号- PL3365C,PL3327BE,PL51T003N24,PL51WT020B24,PL3327BD,PL332X,PL356X,PL3323BS,PL3391AS,PL339X SERIES,PL51T003N20,PL337XC,PL51WT021S16,PL51T003B24,PL3327BS,PLS1WT003X,PL332XB系列,PLS1T003X SERIES,PL51A003S16,PL3366C,PL337X系列,PL3378C,PL51T140,PLS1T020X,PLS1WT003X SERIES,PRC522,PL51T020,PL3395AD,PL51WT003S16,PL51T020系列,PL1165S8,PL51A003N24,PLS1WT020X,PL51A003N20,PL3326BE,PL51T020B24,PL3326BD,PL353X,PL332XB,PL51T020N24,PL3379C,PL336XC,PL51T020N20,PL3367C,PL336XC系列,PL51T020N16,PL3326BS,PL336X SERIES,PL332X SERIES,PL57WT020S16,PL3369CE,PL3368C,PL3331,PL51X003,PL339X,PL3394AD,PL3394AE,PL3330,PL51A003B24,PL339XA系列,PL3329BD,PL3393AS,PL51T003T20,PL3325BD,PL3325BE,PL57WT021S16,PL375X,PL1166A,PL336X系列,PL3369C,PL3563B,PL339XA,PLS1T020X SERIES,PL51WT020T20,PL51T020S16,PL337X SERIES,PL336X,PL3325BS,PL3380,PL3368CE,PL51WT140,PL333X SERIES,PL3322B,PL3393AD,PL338X,PL337X,PL51WT020S16,PLS1WT020X SERIES,PL51T003S20,PL3328BD,PL51T003S24,PL51X003系列,PL334X,PL333X,PL51WT003B24,PL51A003T20,PL373X,PL51T003S16,PL51NF103C,PL51NF103B,PL3376C,PL51NF103A,PL337XC系列,PL334X SERIES,PLS1T003X,PL51RC003,PL3392AD,PL51T020S8,PL51T020T20,PL1167/T16,PL51WT0

选型指南 - PMICRO - 2022/9/6 PDF 中文下载