(IoT物联网)天线的设计步骤 - 完整收藏版 -AntennaHome

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IoT物联网天线的设计步骤 -以WiFi 2.4g天线为例 【说明】 本文档来源于网络，仅限于交流学习之用，不涉及商业用途； 文中出现的品牌或软件工具，其权利归属于对应持有人。请勿侵权 ！ 物联网天线设计，大概步骤： 一、理论计算：根据电磁波传输理论，计算对应频率天线的电气尺寸； 二、EDA工具仿真： 根据理论尺寸及设计，用专业软件来计算天线的参数；.


IoT物联网天线的设计步骤

-以WiFi 2.4g天线为例


【说明】
本文档来源于网络，仅限于交流学习之用，不涉及商业用途； 文中出现的品牌或软件工具，其权利归属于对应持有人。请勿侵权 ！


物联网天线设计，大概步骤：

一、理论计算：根据电磁波传输理论，计算对应频率天线的电气尺寸；
二、EDA工具仿真： 根据理论尺寸及设计，用专业软件来计算天线的参数；
三、样品制作：依据仿真设计输出天线的尺寸、用料等；
四、实验室测试：测试实际样品的S11参数、辐射参数；


以WiFi内置PCB天线为例（见图0），详细展开以上个各步骤，如下：
天线，是电磁波接收发射设备，起到电场转磁场、磁场转电场的作用。传输信号，但不能放大信号！
天线的电气尺寸，与波长相比拟。通常偶极子天线的两臂长度尺寸约等于λ/4。多数其他形式的天线都是偶极子天线的变型。


( 图0 )


一．理论计算：根据电磁波传输理论，计算对应频率天线的电气尺寸；
某种频率的电磁波在介质里的传输波长，计算公式为：
λ=C/f ,     λ为波长，f为频率，C为介质中的传播速度
其中C=C0/√εr      C0为电磁波在真空中的传播速度，等于光速；εr为介质的相对介电常数；

WiFi的频率为2.4~2.483 GHz,介质为PCB（FR4的相对介电常数为3.6~4.4)，其λ/4的尺寸为：
λ/4=3.0 x 10^8 /(2.45x10^9 x √4.4 x 4)=0.0139米=13.9mm

(注：以FR4=4.4计算，但实际工程量产的数值，需要进一步跟PCB板厂确认。根据经验，‘13.9mm’这个值实际中在18~26mm之间。）


二．EDA工具仿真： HFSS是专业的射频仿真软件，常用于天线设计；
HFSS仿真软件，可以依据天线的用料及尺寸，计算出对应的天线参数。此案例中，我们定义为天线的形式为PIFA天线，两臂长度在18~26mm选取。通过软件计算最终得出对应的天线尺寸。从而输出到下一步，为天线制样提供物理尺寸。
HFSS仿真软件，大概步骤，建模(选定天线用料及尺寸）、设定计算条件（比如，驱动模式、频率起始、馈电模式、等）、计算及输出结果、（可调参数优化计算）； 具体操作及实现步骤非本文重点，故略之。

本实例，天线的用料及尺寸为，PCB 20x20mm，板厚T=1.0mm； 辐射阵子(PCB铺铜区域)，取为不规格弧形区域，见下图1；
( 图1 )



仿真后的参数结果为，见图2；


( 图2 )



三．样品制作：依据仿真设计输出天线的尺寸工程图纸，以制作样品；
本实例天线形式为PCB+cable+IPX接头，Cable+IPX接头为标准品，因此主要输出PCB及其线路图(天线辐射臂）。

这里推荐 立创EDA  软件来设计PCB，简单易上手、好用！ 设计完成后，如下图3 -1/2；


( 图3 -1)

( 图3 -2)

设计完成后，输出PCB板子GERBER文件，到嘉立创平台打板PCB样品，同样好用、快捷、还便宜，分享一二，如图4；

( 图4 )

四．实验室测试：测试实际样品的S11参数、辐射参数
PCB板子到手后，焊接天线，来做实际的物料指标测试；
S11参数测试，对应的仪器为 网络分析仪；
辐射参数(增益、效率、场型图）测试，3D微波暗室测试；

测试结果为
【S11参数】

频率/Frequence

回波损耗/Return Loss

驻波比/VSWR

阻抗/Impedance

2.45GHz

-20.7 dB

1.2

51.7 Ω

( 图5 )


【辐射参数】
增益 、场型图


( 图6 )


结论：
该案例完整阐述了IoT物联网天线的设计步骤，以及测试方法、测试环境(设备及仪器)。 理论设计与实例测试，相互印证。 清晰、明了，对天线从业者、初学者，有着指导作用！


注：本文为个人经验之总结与分享，不见得完全正确、完美！欢迎交流指正！ 转载请标注AntennaHome.com ；


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