用于300MHz至450MHz发射器的小型天线

本应用笔记详细介绍了当今手持式发射器应用中使用的各种天线，例如遥控无钥匙进入（RKE）系统、胎压监测器（TPM）、车库开门器、家庭安全传感器，甚至电视遥控器。本应用笔记讨论了环形/鞭状天线、凸起条形天线/“回形针”天线、传统鞭状天线、螺旋天线和贴片天线，并介绍了将其与Maxim发送器匹配的网络。

介绍

用于遥控无钥匙进入 （RKE）、胎压监测器 （TPM）、车库开门器、家庭安全传感器和电视遥控器的发射器天线需要安装在非常小的封装中。正因为如此，这些应用中使用的几乎所有天线都是电短的（即，尺寸为0.1波长或更短）。本应用笔记描述了这些天线是如何形成的，并给出了其阻抗的估计值。

天线类型

印刷电路板环路或鞭状天线

印刷电路板环路或鞭状天线是印刷电路板 （PCB） 上的圆形、椭圆形、方形或矩形走线。假设应用使用双面PCB，则天线下方PCB的另一侧应该是裸露的。天线下方不应放置接地层或其他走线。

输入（也称为天线走线的“驱动”或“馈电点”端）直接或通过匹配网络连接到功率放大器（PA）。匹配网络中的元件位于PCB另一侧的接地层上方。通常在驱动端，PCB另一侧的接地层端端，使得印刷天线下方的区域是裸露的。印刷天线的另一端连接到接地层。这通常是通过在PCB顶层的大面积结束走线来完成的，该PCB顶层通过过孔连接到下面的接地层。但是，也可以通过将天线的末端直接连接到下方的接地层来完成。

如果天线的另一端打开，天线将变成鞭状天线或单极天线。鞭子可以通过运行直线或圆形、椭圆形、正方形或矩形的一部分的走线在 PCB 上打印。图1是PCB环形/鞭状天线的示意图。

图1.PCB 环路或鞭状天线。

多功能天线是一个环路，它不以接地短路结束，而是以可以打开或短路接地的焊盘/连接结束。焊盘可以装有电感器或电容器，以帮助天线进行适当的频率调谐。

具有手持式发射器典型尺寸（每侧2cm至5cm）的小环路具有30nH至100nH的电感和几欧姆的等效串联电阻。理论上，串联电阻小于10欧姆，但电路板损耗、任何盖子的介电损耗、与其他电路元件的耦合以及测量容差都可能导致电阻部分使用网络分析仪测量高达<>Ω。

具有手持式发射器典型尺寸的小鞭子具有1pF至5pF的电容和几欧姆的等效串联电阻。小鞭子的理论串联电阻大约是相同尺寸的小环路的串联电阻的10倍，但它仍然很小，实际测量的电阻与环形天线大致相同。

虽然印刷天线可以节省资金，但使用它们的缺点是它们的特性取决于电路板材料和走线的制造公差。表面贴装天线具有更可重复的特性，当天线设计的一致性很重要时，应考虑它们。

凸起条形或“回形针”天线

凸起条形或回形针天线（如图 2 所示）与印刷环形天线或鞭状天线非常相似。通常，它是连接到PCB的外部电线或扁平金属条，上升几毫米，然后遵循与印刷天线相同的轮廓。这种类型的一个小优点是天线与PCB上的其他组件略有距离。天线的远端可以保持浮动，由非导电支架支撑，或向下弯曲并连接到PCB。一旦进入PCB，它可以进入一个焊盘，该焊盘可以填充以连接到接地层，保持打开，或通过电感器或电容器等无源元件连接到地。

图2.凸起条形天线。

凸起条形天线的阻抗与印刷天线的阻抗非常相似。

传统鞭状天线

一些手持设备在另一个方向上有空间用于传统的鞭状天线或“短截线”天线。这通常是2厘米到5厘米的电线，有时用保护性介电材料覆盖。它可以是带有性能数据的现成 （OTS） 天线，也可以是“自己动手”的金属片。OTS天线比某些PCB天线具有更多的可重复阻抗特性，这可能是因为这些天线经历更多的内部损耗，使其电阻更大。一些较大的OTS天线可能具有接近50Ω的阻抗，没有电抗（电容或电感）。它们还可能具有一个内部电感器，可以调谐电容。图 3 显示了两个独立的鞭状天线。

图3.独立的鞭状天线。（图片由Antenna Factor提供。

螺旋天线

螺旋天线看起来非常像厚厚的鞭状天线。它通常是长度为2cm至5cm的细线线圈，其示例如图4所示。许多用户为自己的应用缠绕自己的线圈。还有螺旋天线的OTS版本。这些螺旋天线中的大多数具有20Ω至50Ω实数阻抗和几乎0Ω虚数阻抗（即没有电容或电感）。这些值的基本原理是绕组的电感抵消了鞭状天线的固有电容。螺旋天线很容易匹配，但它们的辐射并不比其他相同尺寸的天线好。

图4.螺旋天线。（图片由天线因素提供。

贴片天线

贴片天线很少在300MHz至450MHz中使用，因为这些天线的传统尺寸通常是波长的四分之一。与其他PCB天线不同，贴片天线在PCB的另一侧有一个接地层。小贴片天线的阻抗类似于鞭子的阻抗，因为天线的非驱动端是开放的，形成电容。小型贴片天线的阻抗看起来像具有小串联电阻的1pF至5pF电容器。

Maxim变送器的通用匹配网络

图5显示了将Maxim发送器与上述任何天线匹配的良好网络。分配的焊盘可以由电感器或电容器填充，具体取决于所需的天线类型。串联元件E6或并联元件E5可用于调出部分或全部电抗并改变天线的等效电阻。元件E3、E4和E5通常用于形成pi网络低通滤波器（LPF），以抑制PA输出的高次谐波。如果将 E5 用作天线的调谐元件，则其值可以与 pi 网络 LPF 所需的值组合。需要电感（L1）将RF与直流电源隔离，需要电容（C1）来提供直流模块，但如果需要，也可以选择它们的值来执行另一个阻抗变换。大多数Maxim发送器在驱动125Ω至250Ω的电阻（实际阻抗）时，都能以最佳效率和功率输出工作。例外情况是更高功率的MAX7044，它在60Ω至120Ω电阻的电阻下工作得最好，因为它在较小的负载电阻上保持RF电压摆幅。

图5.采用环形天线、鞭状天线、螺旋天线或其他常见天线的发射器的通用匹配网络。

图6显示了小型PCB环形天线的匹配网络。选择串联电容C4的值来调出环路的大部分（但不是全部）电感。该电感将小串联电阻转换为网络其余部分更易于管理的电阻。

图6.匹配PCB环形天线的网络建议。

审核编辑：郭婷