硬件-射频-PCB-常见天线分类-ESP32实例

一：常见天线

1.1 PCB天线

天线形式有 ：单极 、IFA 、loop这三大类；
根据材料则有 金属框、 MDA、 LDS 、FPC 、PDS等等
总之天线设计这件事儿，一定要听劝——专业的事交给专业的人。

• 蓝牙无线数据的收发，主要借助于2.4G的无线信号作为载波来进行数据的交换，所以，
  蓝牙天线起到至关重要的作用,如果不考虑成本及体积，可以选用效率高的天线，如外置的鞭状天线、橡胶套天线（大尺寸、高性能、高成本）、PIFA 天线等，或者选用体积更小的陶瓷天线（成本高、空间小、效率低）。

①蓝牙模块的蛇形走线-天线

• 因成本和产品空间的限制，目前我们用的较为广泛的是直接将天线做到 PCB 板上，称
  为 PCB 微带天线，而 PCB 天线是低成本、小尺寸，只要设计得当又能获得足够性能的天线。
  应用较多的 PCB 天线类型有四分之一波长的蛇型天线和 IFA 天线（俗称倒 F 天线），
  

②倒F天线-IFA：

用于无线通信的天线，它是由一个单极天线组成，平行于地面，一端接地

③蛇形倒F天线-MIFA

• 蛇形天线是半波振子天线变形（为了省空间），因其少了一个天线臂（¼λ），输入阻抗
  为 36.6Ｒ，所以，其效率只有半波振子天线的一半，并且只有一个线极化方向，抗干扰能力
  差，所以很少用在室内或环境复杂的公共场所，现在的 2.4Ｇ天线（BlueTooth、ZigBee、
  WiFi），包括手机等手持无线设备，一般都用ＰＩＦＡ天线（平面倒 F 天线），或ＩＦＡ（俗
  称倒Ｆ天线）天线，因ＩＦＡ天线具有两个极化方向（水平跟垂直极化）和等向辐射特性（各
  个方向上辐射密度相等），所以ＩＦＡ天线可以有效地增强接收效果。
• 三个参数的主要影响：
  L 增加时，谐振频率降底，输入阻抗减小，天线呈感性。
  H 增加时，谐振频率降底，输入阻抗增加，天线呈感性。
  S 增加时，谐振频率升高，输入阻抗减小，天线呈容性。（主要影响带宽）
  因此，只要适当选取这三个参数，就能使倒 F 天线谐振在任意的频率上，且可以使得
  天线的输入阻抗非常接近 50 欧姆的纯电阻。这样就可以达到不需要匹配元件就能实
  现跟微波传输线的阻抗匹配。

④立体的倒F天线-PIFA

• 总结：其中蛇形倒F天线因其体积小，也没什么成本，被广泛用于各种人机接口设备（HID）中，其迹线一般会放置在PCB顶层，并且需要根据PCB的不同厚度调整天线长度去匹配阻抗和频率，其中切割天线会使其频率升高，所以当设计不确定时更建议将走线画长一点，毕竟切割比加长容易得多，这类F型天线效率和性能相对较低，且容易被主板干扰，除了这类F型天线，PCB天线还有对数周期天线、八木天线、车轮天线、MMIC天线、贴片列阵天线等
  

1.2 实例示意图

1.21 对数周期天线(LPDA):

• 像芭蕉扇，是一种宽频带多元定向天线，常用于点对点通讯，可以接收发送中、短波信号，不仅可以作为有线电视天线，也可以接收电台信号，还可以用于发送数字基站的科技讯号，属于全向型天线，主要这东西还防水。
  

1.22 2.4GHZ的八木天线：

• 优点好似增益高、方向性好，其是定向天线，由于它们将所有输入都集中在一个方向上，因此相对于对数周期天线，它们具有更高的增益，适合接收低强度信号，虽然带款或频率范围受到一定限制，当然，无论哪种PCB走线，都非常占用面积，而有一种板载天线就很小，第三种
  

1.23 陶瓷天线：

• 也叫芯片天线，体积小，由于陶瓷的介电常数较高，长的像电容，陶瓷天线可以通过电容器和电感器进行谐调，因此特别适合于蓝牙装置，GPS定位设备等小型化天线中使用，但小型陶瓷贴片成本较高，且通常具有特别窄的带宽，且贴片式的陶瓷天线更换非常便捷，不需要重新设计PCB板，拥有更大的调整通用性。
  

1.24 外接天线：

• 比如WIFI路由器上使用的这类棒状天线，或者IPEX接口天线，外接天线的信号方向指向性好，效率高，抗干扰能力强，能远离主板上的干扰，而且不用过多的进行调试匹配，但是成本高，占用体积大
  

二：ESP32的射频设计

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2.1 ESP32-C3射频电路

ESP32-C3 系列芯片的射频电路主要由三部分组成：PCB 板射频走线、芯片匹配电路、天线及其匹配电路。各部分电路应满足以下设计规范：
① PCB 板射频走线：需进行 50 Ω 阻抗控制。
②芯片匹配电路：请尽量靠近芯片放置，优先采用 CLC 结构。

• CLC 结构主要用于阻抗匹配及谐波抑制，空间允许的情况下可以再加一组 LC。
• 芯片匹配电路如图 ESP32-C3 系列芯片射频匹配电路图 所示。

③ 天线及其匹配电路：为保证辐射性能，建议天线的输入阻抗为 50 Ω 左右。为保险起见，推荐在靠近天线位置增加一组 π 型匹配电路，用于调节天线的输入阻抗。如果经过仿真可以确保天线阻抗点为 50 Ω 左右，并且空间较小，则可以不加天线端的匹配电路,50 Ω这个数值是经过数学和实践得出来，使天线具有最高效率的一个阻抗匹配的值。

ESP32-C3 系列芯片射频匹配电路图

2.2 ESP32-C3射频调试电路

射频匹配网络的参数值和PCB板有关，不要直接使用模组的匹配值，须按照下述射频调试进行确认
图 ESP32-C3 射频调试示意图 展示了射频调试的大概过程。

ESP32-C3 射频调试示意图

• 将芯片匹配电路靠近芯片的端口定义为端口 1，将其靠近天线的端口定义为端口 2。

• 则 S11 用来描述从端口 1 反射回来的信号功率与输入信号功率之比，如果匹配阻抗与芯片阻抗共轭，则传输性能最佳。
• S21 用来描述从端口 1 到端口 2 的信号功率传输损耗。如果 S11 接近芯片共轭阻抗点 (35+j0)，且 S21 在 4.8 GHz 和 7.2 GHz 频率下小于 -35 dB，则匹配电路可满足传输要求。

• 将芯片匹配电路的两端分别接到综测仪上，测试其信号反射参数 S11 及传输参数 S21。调试该匹配电路中元件的数值，直至 S11 和 S21 满足上述要求。如果芯片的 PCB 板严格设计遵循章节 PCB 版图布局 里的规范，用户可以参考表 匹配电路元器件推荐数值范围 来调试该匹配电路。

备注：如果不需要使用射频功能，射频引脚可以悬空。

2.3 上机匹配调试

• 调试分为两个项目：阻抗匹配调试和射频性能调试。
  测试使用的仪器为矢量网络分析仪和IQ综测仪。若条件有限，可只做阻抗匹配调试。

• 对于DIY用户来说，可使用NanoVNA这类低成本（<1k RMB）的非专业矢量网络分析仪。虽然性能上与专业仪器有差别，但可以用作简单的调试参考，具备一定的指导意义。
• 也可以找第三方厂商进行收费调试。一般一个频点下一个阻抗值，单次收费一般是200~400RMB。不同仪器具体操作方式不同，但我们需要查看的参数和调试流程大致是一致的，此处仅做简单介绍。

阻抗匹配步骤：

1.矢量网络分析仪，打开Smith阻抗圆图、S11（阻抗）和S21（Loss）测量参数，校准端口，补偿线缆等准备步骤。
2.找到阻抗匹配的开路接入端点，焊接射频同轴线缆。注意线缆接地，需要靠近进接入点，并且焊接接地充分，必要时可刮开接地覆铜的阻焊层做接地点。
3.焊接再匹配网络，串联器件的位置上焊接0Ω/8.2pf。测试本征阻抗。
4.多次调整匹配网络LC串联并联形式，最终使Smith阻抗圆图上，阻抗点回归目标阻抗。
5、查看Smith阻抗点、S11与S21参数是否符合测试要求。可参考3、匹配电路要点-ESP32官方匹配示例。匹配调试大体步骤既是如此，难点便是在于步骤4中，更换匹配器件的参数，控制阻抗走向。此步骤较为繁琐，需要多次尝试，需要一定经验。虽然串并联LC以控制阻抗走向，已有明确的理论指导与辅助工具。但受限于实际器件与环境的寄生参数等影响。理论和实践存在明显差别，还是需要多次的实际调试，较为消磨耐心。

三：ESP32射频的PCB Layout设计

大致流程
1.确定PCB板层数量与层压结构等信息
2.计算阻抗线参数
3.确定天线、匹配电路与芯片的布局
4.射频线布线，优化走线，优化匹配器件焊盘，铺地过孔布置

• 其中1、2步骤属于前期设计，用于设计传输线阻抗。需要结合生产板厂工艺信息，辅以SI9000等计算工具，计算目标阻抗下传输线线宽等相关信息。3、4步骤则是PCBLayout的实操环节。
• 嘉立创提供相关信息、计算工具与EDA工具，本次实例以嘉立创作为操作实例。

3.1 确定PCB板层数量与层压结构

• 注意：本次示例的PCB板材选择使用FR-4硬板。其余如多层FPC软板，刚绕结合板，Rogers，铁氟龙等板材信息与计算方式需要与厂商沟通获取。并使用第三方计算器计算相关阻抗，本文完成时嘉立创暂未支持相关计算。
• 射频板板层数量一般选取4层以上，2层板主要因板厚过厚，导致阻抗线线宽过宽，难以布线。本次板层数量选用4层。
• 层压结构上，嘉立创提供共计566种叠层。其中4层板有136种。
  推荐文章《硬件-PCB-叠层设计（四层板六层板）》
  推荐：嘉立创阻抗计算
  

其中我们可以发现结构型号主要与PP层型号关联。PP层使用的是波纤布材料、7628、3313、1080等编号是玻纤布的规格信息。

本次板厚选用1.6，层压结构选用7628，内外层铜厚选用外层1oz,内层0.5oz的常用厚度。是较为常用的工艺参数，

• 设计4层板在PCB叠层分布如下：
  1-Top signal-（RF传输线布置层，阻抗模式使用共面单端，到铜距离选用10mil）
  2-Gnd-（阻抗参考）
  3-Power
  4-Bottom Signal

3.2 计算阻抗线参数

使用嘉立创下单助手-阻抗计算神器计算相关参数
将步骤1中确定的设计信息填入计算器，点击计算，下方弹出各叠层的计算结果。我们选用的是7628结构，根据7628的计算结果，得出阻抗线的线宽。注意，射频线传输线阻抗模型为共面单端。
计算结果如下，传输线为13.48mil,可取整为13或者14mil。设置到覆铜距离为20mil.

3.3 匹配电路+芯片布局

确定天线、匹配电路、芯片的布局 和 射频线布线、优化走线、优化匹配器件焊盘、铺地过孔布置、
天线要放置，可参考上文结构要点部分，并结合厂商示例手册。

射频版图设计应遵循以下规范：

• 1.射频走线上需预留一个π型匹配电路，且π型匹配电路需尽可能地靠近芯片端，并呈Z字型摆放。
• 2.射频走线须做50欧姆阻抗控制，参考平面为第二层。射频走线在做50欧姆阻抗匹配时，可参考下图所示的PCB叠层结构设计。
  

• π型CLC匹配网络中靠近芯片侧对地电容的GND焊盘与地之间建议增加短截线，可有效抑制二次谐波。短截线的长度建议为15mil,线宽根据PCB叠层结构进行确定，确保短截线的特征阻抗为100Ω±10%。此外，短截线地孔与第三层相连，第一、二层做keep-out隔离处理。下图中的高亮走线即为短截线。当π型匹配网络元器件封装为0201以上时，则无需做短截线处理。
  注意：
• 射频走线线宽请注意保持一致，不可有分支走线。射频走线长度须尽量短，并注意周围密集地孔屏蔽。
• 射频走线在表层，走线不可有过孔，即不能跨层走线，且尽量使用135°角走线或是圆弧走线。
• 射频走线须保证相邻完整地平面，射频走线下方尽可能不要有任何走线。
• 射频走线附近不能有高频信号线。射频上的天线必须远离所有传输高频信号的器件，比如晶振、DDR SDRAM、高频时钟等。另外，USB端口、USB转串口信号的芯片、UART信号线（包括走线、过孔、测试点、插针引脚等）等必须尽可能地远离天线。且UART信号线做包地处理，周围加地孔屏蔽
• 射频的layout对其性能影响较大，在严格的要求下可能需要进行多次修改优化。若有条件可通过HFSS等仿真软件，对不同layout下的天线射频效果进行仿真，以达到较佳的射频性能。

四：天线的 layout 注意事项：(以倒 F 天线为例)

4.1 PCB layout 画天线（全文重点）

• 由于 PCB 微带天线性能受板材（板厚、介质等）与周围环境（外壳、人体、天线离 PCB 地
  平面距离等）诸多因素的影响，所以天线需选择经过验证的 PCB 天线，推荐使用我们经过
  验证过的天线，否则会严重影响天线的辐射效率。
  1、天线谐振臂 L 到参考地的距离不能随意更改，会影响天线的特性（输入阻抗、谐振
  频率等）。
  2、天线到地的谐振臂过孔位置，尽量在刚进入参考地的地方加一个大的过孔。
  3、匹配网络尽量靠近天线的输入口。
  4、微带线与屏蔽地的距离最少 20mil 的间距，以减少寄生电容的影响。
  5、为减少做板工艺的难度，微带线尽量短，蓝牙 IC 尽量靠近天线位置摆放。
  6、微带线应按照 50 欧阻抗要求来走线，若有 90 度转弯，一定要用弧形布线方式。
  7、保证天线参考地的完整性。
  8、匹配网络元件的接地焊盘附近应加一过孔。
  9、天线 top 部分及对应 bottom 层都需要净空，不能铺铜；
  10、天线周围最好不要有金属结构或元器件、铺地平面、电池、喇叭等吸收或反射电磁
  波的物质存在，最多在其中一面距离一定间隔（至少 5mm）可以放一些元器件。
  
  
  

• 1.板厚不同，适用的天线不同
• 2.PIFA天线到地的距离不要变（很重要），通常在PCB设计时要锁定参考设计复制/拷贝比较好。
• 3.ANT馈线需要符合50Ω阻抗，背面需铺铜，板厚，粗细与GND间距都要严格按照参考设计。一般在PCB制板时要把ANT馈线标记出来，告知制板厂商，要做50Ω阻抗匹配。
• 4.天线两边以及底层背部需要尽空
• 5.天线需要开窗

4.2 芯片部分：

1、芯片中心焊盘需多打过孔与底层地相连，芯片以及芯片周围元件的 bottom 层尽量保
证地的完整性，音频功放、flash 等干扰性强的 IC 不应靠近蓝牙芯片放置，以减少相互间干
扰。
2、芯片天线输出两边的地管脚，应该用地过孔靠近其摆放，否则会影响芯片内部 LNA
的增益。

4.3 倒F天线参数公式

三个参数的主要影响：
L 增加时，谐振频率降底，输入阻抗减小，天线呈感性。
H 增加时，谐振频率降底，输入阻抗增加，天线呈感性。
S 增加时，谐振频率升高，输入阻抗减小，天线呈容性。（主要影响带宽）
因此，只要适当选取这三个参数，就能使倒 F 天线谐振在任意的频率上，且可以使得
天线的输入阻抗非常接近 50 欧姆的纯电阻。这样就可以达到不需要匹配元件就能实
现跟微波传输线的阻抗匹配。

• 总之天线设计这件事儿，一定要听劝——专业的事交给专业的人。
  以上，完

道友：患焦虑症的人担心的事85%不会发生。即使担心的事发生了，79%的结果也比预期的要好，结果比预期更差的情况只占总体的3%。简言之，97%的担忧都是杞人忧天。