本文檔七種天線測量設置特性。這些天線與其電路板相關聯，工作頻段為 ISM 2.45 GHz，可用於 STM32WB 系列微控制器。

七種天線類型分別為：

• T 型單極天線
• L 型單極天線
• 倒 F 天線 – IFA
• 微帶曲折單極天線
• IFA 金屬平面天線
• 八木天線
• 晶片天線

天線板的製作

天線圖紙組合成單一佈局（包括可斷電路）。層性質如下：

• 6 mm FR4 基板
• 35 µm 金屬化
• 20 µm 阻焊層
• 金屬化通孔

圖 33 和圖 34 分別顯示了 PCB 的部件分解圖和圖片。

圖 33. 佈局的部件分解

圖 34. 實現的 PCB 圖片（左邊為頂層，右邊為底層）

無線電電氣特性

下一節重點介紹天線原型的無線電電氣特性測量（S11 參數+輻射）。設備的尺寸小於半個波長，因此在測量時需要採取預防措施，以儘量減少測試環境與被測設備（DUT）的相互作用。特別是，對於 S11 參數測量，同軸電纜必須在設備上正確焊接並定位。同樣，對於輻射測量，必須使用介電桅杆，並使用光鏈路代替同軸電纜，將被測設備連接到測量儀器（向量網路分析儀）。

測量設置

本節詳細介紹了用於評估不同設備輻射特性的測量設置和方法。所有測量都在 UHF 全消聲室內（從 0.8 到 18 GHz）內進行。

反射係數

設備的反射係數（也稱為 S11）是用 VNA（向量網路分析儀 R&S ZVA40）測量的，天線位於消聲室內。在同軸測試電纜的末端進行常規 OSM（Open-Short-Match）校準，並使用偏移量配置天線連接的參考平面。參考平面用於評估正確位置的天線輸入阻抗。

增益方向圖

UHF 消聲室配備一個 VNA 和兩個定位器，如圖 35 所示。分析儀和定位器使用內部開發的軟體實現自動化。這允許使用 Theta 定位器在使用 Alpha 定位器（通常為 0°和 90°）的不同極化方向上測量被測天線（AUT）在方位角（稱為切割）上的幅度和相位增益方向圖。通過重新定位 AUT 可以獲得額外的切割平面。

考慮到待測設備的尺寸，用於安裝 AUT 的支架必須是最小的。在 2.45 GHz 頻率下，反應距離等於 λ/（2π），約為 2 cm。利用小型聚合物桅杆和聚苯乙烯來盡可能降低與天線的相互作用。光鏈路取代了傳統的同軸電纜，將 AUT 連接到分析儀。此舉可防止電流從設備漏到接地電纜上。

對於增益測量，採用比較法。在這種情況下，使用參考天線（ETS-Lindgren 的 EMCO 3115）進行校準，其增益是大家都熟悉的。之後，參考天線被 AUT 取代。AUT 的增益來源於校準和參考天線的增益。

圖 35. 用於無源天線測量的 UHF 消聲室配置

效率

由於輻射的形狀，兩次切割足以有效估量天線效率，方法是插值 180 度，然後在整個空間內對增益方向圖進行積分。如此一來，便可通過計算遠場增益方向圖的積分來得到總效率 η。

增益方向圖的座標

對於每種天線拓撲，使用圖 35 的座標（參見“第 5.2 節 增益方向圖”）。在兩個目標平面上對增益方向圖進行評估。

測量參數

測量結果

本節介紹 7 種天線設計的無線電電氣特性，並與模擬結果進行疊加。按照如下配置對天線進行測量，如圖 36

所示：

• P1：cut XoZ
• P2：cut YoZ

 

單極子天線

T 型天線

與 MB1623 低功耗藍牙板（圖 37）相關聯的 T 型天線的模擬和測得增益方向圖如圖 38 所示。總的來說，結果是一致的。然而，連接到低功耗藍牙板進行測量的短電纜有兩個影響：它顯著增加 P1 cut 的 Ephi 分量，並使 P2 cut 的 Etheta 分量稍微旋轉。在 2.45 GHz 頻率下測得的最大增益為 2.0 dBi。

圖 39（a）顯示了類比和測得的反射係數。測量結果與模擬結果一致。受測天線在藍牙^®頻段（2.4 ~ 2.485 GHz）上的反射係數優於-16 dB。圖 39（b）給出了模擬效率和測得效率。兩條曲線很接近。在藍牙^®頻段下，測得的最低效率為 90%。

L 型天線

與 MB1623 低功耗藍牙板（圖 40）相關聯的 L 型天線的模擬和測得增益方向圖如圖 41 所示。與 T 型天線類似，連接到低功耗藍牙板的短電纜會增加 P1 cut 的 Ephi 分量，並使 P2 cut 的 Etheta 分量稍微旋轉。在 2.45 GHz 頻率下測得的最大增益為 1.3 dBi。

圖 42（a）顯示了類比和測得的反射係數。測量結果與模擬結果一致。受測天線在藍牙^®頻段（2.4 ~ 2.485 GHz）上的反射係數優於-16 dB。圖 42（b）給出了模擬效率和測得效率。兩條曲線很接近。在藍牙^®頻段下，測得的最低效率為 94 %。

曲折式天線

與 MB1623 低功耗藍牙板（圖 43）相關聯的曲折式天線的模擬和測得增益方向圖如圖 44 所示。與 L 型和 T 型天線類似，連接到低功耗藍牙板的短電纜會增加 P1 cut 的 Ephi 分量，並使 P2 cut 的 Etheta 分量稍微旋轉。在 2.45 GHz 頻率下測得的最大增益為 1.3 dBi。

圖 45（a）顯示了類比和測得的反射係數。測量結果與模擬結果一致。受測天線在藍牙^®頻段（2.4 ~ 2.485 GHz）上的反射係數優於-18 dB。圖 45（b）給出了模擬效率和測得效率。測量值與模擬結果相符。在藍牙^®頻段下，測得的最低效率為 84 %。

F 天線（IFA）

印製 IFA

與 MB1623 低功耗藍牙板（圖 46）相關聯的印製 IFA 天線的模擬和測得增益方向圖如圖 47 所示。與三種單 極天線類似，連接到低功耗藍牙板的短電纜會增加 P1 cut 的 Ephi 分量，並使 P2 cut 的 Etheta 分量稍微旋轉。在 2.4 GHz 頻率下測得的最大增益為-0.1 dBi。由於反射係數的頻移，在 2.4 GHz 頻率下處繪製了測得方向圖。

圖 48（a）顯示了類比和測得的反射係數。與類比相比，測量結果顯示存在 50  MHz 的偏移。對採用 4.7 相對介電常數基板的天線進行了回溯類比，與測量結果吻合。相應地調整設計。由於頻率偏移，受測天線在藍牙^®頻段（2.4 ~ 2.485 GHz）上的反射係數優於-7.5 dB。圖 48（b）給出了模擬效率和測得效率。由於 P1 cut 中 E-theta 方向圖的非顛覆性形狀，測得效率被高估了。在藍牙^®頻段下，測得的最低效率為 86 %。

金屬 IFA

與 MB1623 低功耗藍牙板（圖 49）相關聯的金屬 IFA 的模擬和測得增益方向圖如圖 50 所示。雖然測量的 P1 cut 中的 Ephi 分量略高於模擬結果，但結果相當接近。在 2.4 GHz 頻率下測得的最大增益為 0.0 dBi。由於反射係數的頻移，在 2.4 GHz 頻率下處繪製了測得方向圖。

圖 51（a）顯示了類比和測得的反射係數。與類比相比，測量結果顯示存在 50 MHz 的偏移。對採用 4.7 相對介電常數基板的天線進行了回溯類比，模擬結果近似於測量結果。相應地調整設計。由於頻率偏移，受測天線在藍牙^®頻段（2.4 ~ 2.485 GHz）上的反射係數優於-6.2 dB。圖 51（b）給出了模擬效率和測得效率。在藍牙

®頻段下，測得的最低效率為 81 %。

八木天線

與 MB1623 低功耗藍牙板（圖 52）相關聯的八木天線的模擬和測得增益方向圖如圖 53 所示。由於輻射在與低功耗藍牙板的相反方向上有一個波瓣，因此方向圖幾乎不受增加的短同軸電纜的影響。在 2.4 GHz 頻率下測得的最大增益為 5.6 dBi。由於反射係數的頻移，在 2.4 GHz 頻率下處繪製了測得方向圖。

圖 54（a）顯示了類比和測得的反射係數。與類比相比，測量結果顯示存在 50 MHz 的偏移。對採用 4.7 相對 介電常數基板的天線進行了回溯類比，模擬結果與測得的 S11 值重疊。設計將相應地調整。由於頻率偏移， 受測天線在藍牙^®頻段（2.4 ~ 2.485 GHz）上的反射係數優於-5.6 dB。圖54（b）給出了模擬效率和測得效率。在藍牙^®頻段下，測得的最低效率為 67 %。

參考天線

選定的參考天線是 TDK ANT016008LCS2442MA2。推薦的佈局窄而長（10 x 50 mm2），這對 MB1623 低功耗藍牙板來說較為不便。為了與低功耗藍牙板、單極子天線和 IFA 天線的寬度一致，相關人員製作了一個 20 x 30 mm2 的電路（圖 55）。由於接地平面的尺寸與推薦的不一致，匹配電路的元器件與資料手冊中使用的元器件有所不同。第一步是測量原始反射係數。圖 56 顯示了測得的 S11。以此結果為基礎進行匹配。之後，測量增益方向圖。

結論

7 種天線在設計時考慮了 MB1623 板。單極天線（T 型、L 型以及曲折式天線）由於與晶片主機板的耦合，具有與寬頻帶寬非常相似的輻射屬性。這種天線也獲得了類似的高輻射效率（90%以上）。印製和金屬 IFA 具有更窄的工作頻寬和接近偶極子天線的輻射特性，具有更高的交叉極化和同等量級的輻射效率（80%以上）。八木天線通過有限的工作頻寬提供具有更高增益（~6 dBi）的單向輻射。與其他天線拓撲相比，該天線的輻射效率略低（70%以上）。

總的來說，測量結果與模擬結果一致。由於引入了連接天線和測量儀器的短同軸電纜，在增益方向圖上觀察到一些差異。由於基板介電常數的變化，在窄帶天線（印刷 IFA 天線、金屬 IFA 天線以及八木天線）設計中可以檢測到一些頻率偏移。三種天線設計都採用新的基板介電常數值進行重新調諧，以便在目標頻帶上改善阻抗匹配。表 2 總結了基於兩次切割的測得無線電電氣特性。