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应用笔记STM32WB+系列+MCU+的板载天线参考设

板载天线

STM32WB

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44页

本文档针对七种天线，介绍其设计、制作和无线电电气特性（S11 参数和辐射）。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

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AN5434

应用笔记

AN5434 - 第 1 版 - 2020 年 1 月

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STM32WB 系列 MCU 的板载天线参考设计

引言

本文档针对七种天线，介绍其设计、制作和无线电电气特性（S11 参数和辐射）。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

AN5434

参考板

AN5434 - 第 1 版

第2页，共44页

1 参考板

天线采用 MB1623 板进行基准测试，配备基于 Arm

Cortex

的微控制器。该板件高 40mm，宽 30mm，连接

器沿顶部宽度方向居中，如图 1 所示。考虑到与工作波长相比的有限尺寸，以及 MB1623 板的方向（可以调

节天线的辐射特性），在设计过程中必须考虑板件的接近性。

图 1. 参考板

设计和制造

下一节重点介绍天线的设计和制造。在每个小节中，介绍了每种天线类型的模拟无线电电气性能。此外，还有

一个章节专门讲述天线原型的制造。

注意：

Arm

是

Arm Limited

（或其子公司）在美国和

或其他地区的注册商标。

天线电路

MMCX 连接器

MB1623 板

AN5434

环境

AN5434 - 第 1 版

第3页，共44页

2 环境

从设计的角度来看，提议的结构必须尊重不同的要求，包括尺寸不得超过 100x50 mm

。天线蚀刻在 1.6 mm

厚的 FR4 基板上。

所需的辐射性能可总结如下：

• 工作频段：2.402 - 2.480 GHz

• 反射系数：-9.54 dB

• 辐射效率：50%

采用 CST Microwave Studio 和 ANSYS HFSS 两种不同的电磁仿真软件对不同天线的无线电电气性能进行了

仿真。天线的辐射行为在其实际工作环境中进行了仿真，并进行了优化，以满足所需的无线电电气要求。下一

节将介绍并分析天线几何形状调谐后每种优化设计的仿真结果。

AN5434

天线设计与仿真性能

AN5434 - 第 1 版

第4页，共44页

3 天线设计与仿真性能

本节重点介绍不同的天线设计，以及它们的仿真无线电电气特性。将设计与简化模型和完整模型进行比较，说

明 MB1623 板件的影响。

3.1 使用的增益方向图坐标

对于每个天线拓扑，使用图 2 所示的坐标。在三个目标平面上对增益方向图进行评估：

• XoZ：Φ = 0°，θ = -180 至 +180°。

• YoZ：Φ = 90°，θ = -180 至 +180°。

• XoY：θ = 90°，Φ = -180 至 +180°。

图 2. 用于增益方向图仿真的坐标系统

垂直面

方位平面

AN5434

T 型单极天线

AN5434 - 第 1 版

第5页，共44页

3.2 T 型单极天线

3.2.1 配置

文献中进行了许多研究，提出了基于不同形状的单极[1]天线，如 1991 年提出的曲折天线[1]，具有可扫描-90°

和 90°之间任何角度的特性。另一项不同的工作在[2]中提出，在各种平面单极天线（如椭圆、矩形、圆形、六

角形圆盘和方形单极）上进行了几项实验。椭圆盘状天线实现了最大带宽。

根据要求和规格，选择了允许单频段工作的简单设计。图 3 为共面波导线激励的 T 型平面单极天线结构。

MMCX 连接器用于将天线 PCB 连接到 MB1623 板。对天线尺寸进行了优化，以在 2.45 GHz 左右的 ISM 频段

实现所需频率的阻抗匹配。

第一个仿真基于图 3（a）所示的简单设计执行。使用接地的 FR4 基板设计了一个简单的 PCB，并使用 50 Ω

MMCX 连接器与 T-天线相关联。

为了接近结构的真实模型，构建了如图 3（b）所示的完整设计。它包含了所有可能影响天线性能的关键元素，

如电池、USB 连接器和允许在地平面之间连接的贯穿孔。

结构、天线和 MB1623 板的整体尺寸为 30 × 63 mm

，这里使用的基板具有以下特性：介电常数= 4.4，损耗

正切= 0.02，厚度 h = 1.6 mm。

图 3. T 型单极天线配置：（a）简化模型（b）完整模型

接地层

MMCX 连接器

贯穿孔

电池

USB 连接器

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