本文档七种天线测量设置特性。这些天线与其电路板相关联，工作频段为 ISM 2.45 GHz，可用于 STM32WB 系列微控制器。

七种天线类型分别为：

• T 型单极天线
• L 型单极天线
• 倒 F 天线 – IFA
• 微带曲折单极天线
• IFA 金属平面天线
• 八木天线
• 芯片天线

天线板的制作

天线图纸组合成单一布局（包括可断电路）。层性质如下：

• 6 mm FR4 基板
• 35 µm 金属化
• 20 µm 阻焊层
• 金属化通孔

图 33 和图 34 分别显示了 PCB 的部件分解图和图片。

图 33. 布局的部件分解

图 34. 实现的 PCB 图片（左边为顶层，右边为底层）

无线电电气特性

下一节重点介绍天线原型的无线电电气特性测量（S11 参数+辐射）。设备的尺寸小于半个波长，因此在测量时需要采取预防措施，以尽量减少测试环境与被测设备（DUT）的相互作用。特别是，对于 S11 参数测量，同轴电缆必须在设备上正确焊接并定位。同样，对于辐射测量，必须使用介电桅杆，并使用光链路代替同轴电缆，将被测设备连接到测量仪器（向量网路分析仪）。

测量设置

本节详细介绍了用于评估不同设备辐射特性的测量设置和方法。所有测量都在 UHF 全消声室内（从 0.8 到 18 GHz）内进行。

反射系数

设备的反射系数（也称为 S11）是用 VNA（向量网路分析仪 R&S ZVA40）测量的，天线位于消声室内。在同轴测试电缆的末端进行常规 OSM（Open-Short-Match）校准，并使用偏移量配置天线连接的参考平面。参考平面用于评估正确位置的天线输入阻抗。

增益方向图

UHF 消声室配备一个 VNA 和两个定位器，如图 35 所示。分析仪和定位器使用内部开发的软体实现自动化。这允许使用 Theta 定位器在使用 Alpha 定位器（通常为 0°和 90°）的不同极化方向上测量被测天线（AUT）在方位角（称为切割）上的幅度和相位增益方向图。通过重新定位 AUT 可以获得额外的切割平面。

考虑到待测设备的尺寸，用于安装 AUT 的支架必须是最小的。在 2.45 GHz 频率下，反应距离等于 λ/（2π），约为 2 cm。利用小型聚合物桅杆和聚苯乙烯来尽可能降低与天线的相互作用。光链路取代了传统的同轴电缆，将 AUT 连接到分析仪。此举可防止电流从设备漏到接地电缆上。

对于增益测量，采用比较法。在这种情况下，使用参考天线（ETS-Lindgren 的 EMCO 3115）进行校准，其增益是大家都熟悉的。之后，参考天线被 AUT 取代。AUT 的增益来源于校准和参考天线的增益。

图 35. 用于无源天线测量的 UHF 消声室配置

效率

由于辐射的形状，两次切割足以有效估量天线效率，方法是插值 180 度，然后在整个空间内对增益方向图进行积分。如此一来，便可通过计算远场增益方向图的积分来得到总效率 η。

增益方向图的座标

对于每种天线拓扑，使用图 35 的座标（参见“第 5.2 节 增益方向图”）。在两个目标平面上对增益方向图进行评估。

测量参数

测量结果

本节介绍 7 种天线设计的无线电电气特性，并与模拟结果进行叠加。按照如下配置对天线进行测量，如图 36

所示：

• P1：cut XoZ
• P2：cut YoZ

 

单极子天线

T 型天线

与 MB1623 低功耗蓝牙板（图 37）相关联的 T 型天线的模拟和测得增益方向图如图 38 所示。总的来说，结果是一致的。然而，连接到低功耗蓝牙板进行测量的短电缆有两个影响：它显著增加 P1 cut 的 Ephi 分量，并使 P2 cut 的 Etheta 分量稍微旋转。在 2.45 GHz 频率下测得的最大增益为 2.0 dBi。

图 39（a）显示了类比和测得的反射系数。测量结果与模拟结果一致。受测天线在蓝牙^®频段（2.4 ~ 2.485 GHz）上的反射系数优于-16 dB。图 39（b）给出了模拟效率和测得效率。两条曲线很接近。在蓝牙^®频段下，测得的最低效率为 90%。

L 型天线

与 MB1623 低功耗蓝牙板（图 40）相关联的 L 型天线的模拟和测得增益方向图如图 41 所示。与 T 型天线类似，连接到低功耗蓝牙板的短电缆会增加 P1 cut 的 Ephi 分量，并使 P2 cut 的 Etheta 分量稍微旋转。在 2.45 GHz 频率下测得的最大增益为 1.3 dBi。

图 42（a）显示了类比和测得的反射系数。测量结果与模拟结果一致。受测天线在蓝牙^®频段（2.4 ~ 2.485 GHz）上的反射系数优于-16 dB。图 42（b）给出了模拟效率和测得效率。两条曲线很接近。在蓝牙^®频段下，测得的最低效率为 94 %。

曲折式天线

与 MB1623 低功耗蓝牙板（图 43）相关联的曲折式天线的模拟和测得增益方向图如图 44 所示。与 L 型和 T 型天线类似，连接到低功耗蓝牙板的短电缆会增加 P1 cut 的 Ephi 分量，并使 P2 cut 的 Etheta 分量稍微旋转。在 2.45 GHz 频率下测得的最大增益为 1.3 dBi。

图 45（a）显示了类比和测得的反射系数。测量结果与模拟结果一致。受测天线在蓝牙^®频段（2.4 ~ 2.485 GHz）上的反射系数优于-18 dB。图 45（b）给出了模拟效率和测得效率。测量值与模拟结果相符。在蓝牙^®频段下，测得的最低效率为 84 %。

F 天线（IFA）

印制 IFA

与 MB1623 低功耗蓝牙板（图 46）相关联的印制 IFA 天线的模拟和测得增益方向图如图 47 所示。与三种单 极天线类似，连接到低功耗蓝牙板的短电缆会增加 P1 cut 的 Ephi 分量，并使 P2 cut 的 Etheta 分量稍微旋转。在 2.4 GHz 频率下测得的最大增益为-0.1 dBi。由于反射系数的频移，在 2.4 GHz 频率下处绘制了测得方向图。

图 48（a）显示了类比和测得的反射系数。与类比相比，测量结果显示存在 50  MHz 的偏移。对采用 4.7 相对介电常数基板的天线进行了回溯类比，与测量结果吻合。相应地调整设计。由于频率偏移，受测天线在蓝牙^®频段（2.4 ~ 2.485 GHz）上的反射系数优于-7.5 dB。图 48（b）给出了模拟效率和测得效率。由于 P1 cut 中 E-theta 方向图的非颠覆性形状，测得效率被高估了。在蓝牙^®频段下，测得的最低效率为 86 %。

金属 IFA

与 MB1623 低功耗蓝牙板（图 49）相关联的金属 IFA 的模拟和测得增益方向图如图 50 所示。虽然测量的 P1 cut 中的 Ephi 分量略高于模拟结果，但结果相当接近。在 2.4 GHz 频率下测得的最大增益为 0.0 dBi。由于反射系数的频移，在 2.4 GHz 频率下处绘制了测得方向图。

图 51（a）显示了类比和测得的反射系数。与类比相比，测量结果显示存在 50 MHz 的偏移。对采用 4.7 相对介电常数基板的天线进行了回溯类比，模拟结果近似于测量结果。相应地调整设计。由于频率偏移，受测天线在蓝牙^®频段（2.4 ~ 2.485 GHz）上的反射系数优于-6.2 dB。图 51（b）给出了模拟效率和测得效率。在蓝牙

®频段下，测得的最低效率为 81 %。

八木天线

与 MB1623 低功耗蓝牙板（图 52）相关联的八木天线的模拟和测得增益方向图如图 53 所示。由于辐射在与低功耗蓝牙板的相反方向上有一个波瓣，因此方向图几乎不受增加的短同轴电缆的影响。在 2.4 GHz 频率下测得的最大增益为 5.6 dBi。由于反射系数的频移，在 2.4 GHz 频率下处绘制了测得方向图。

图 54（a）显示了类比和测得的反射系数。与类比相比，测量结果显示存在 50 MHz 的偏移。对采用 4.7 相对 介电常数基板的天线进行了回溯类比，模拟结果与测得的 S11 值重叠。设计将相应地调整。由于频率偏移， 受测天线在蓝牙^®频段（2.4 ~ 2.485 GHz）上的反射系数优于-5.6 dB。图54（b）给出了模拟效率和测得效率。在蓝牙^®频段下，测得的最低效率为 67 %。

参考天线

选定的参考天线是 TDK ANT016008LCS2442MA2。推荐的布局窄而长（10 x 50 mm2），这对 MB1623 低功耗蓝牙板来说较为不便。为了与低功耗蓝牙板、单极子天线和 IFA 天线的宽度一致，相关人员制作了一个 20 x 30 mm2 的电路（图 55）。由于接地平面的尺寸与推荐的不一致，匹配电路的元器件与资料手册中使用的元器件有所不同。第一步是测量原始反射系数。图 56 显示了测得的 S11。以此结果为基础进行匹配。之后，测量增益方向图。

结论

7 种天线在设计时考虑了 MB1623 板。单极天线（T 型、L 型以及曲折式天线）由于与芯片主机板的耦合，具有与宽频带宽非常相似的辐射属性。这种天线也获得了类似的高辐射效率（90%以上）。印制和金属 IFA 具有更窄的工作频宽和接近偶极子天线的辐射特性，具有更高的交叉极化和同等量级的辐射效率（80%以上）。八木天线通过有限的工作频宽提供具有更高增益（~6 dBi）的单向辐射。与其他天线拓扑相比，该天线的辐射效率略低（70%以上）。

总的来说，测量结果与模拟结果一致。由于引入了连接天线和测量仪器的短同轴电缆，在增益方向图上观察到一些差异。由于基板介电常数的变化，在窄带天线（印刷 IFA 天线、金属 IFA 天线以及八木天线）设计中可以检测到一些频率偏移。三种天线设计都采用新的基板介电常数值进行重新调谐，以便在目标频带上改善阻抗匹配。表 2 总结了基于两次切割的测得无线电电气特性。