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(IoT物联网)天线的设计步骤 - 完整收藏版 -AntennaHome


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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