A Печатная антенна — это медная дорожка или рисунок, вытравленные непосредственно на печатной плате, которые передают и принимают электромагнитные волны радиочастотного диапазона. Это самый дешёвый способ обеспечить беспроводное подключение изделия, поскольку не требуется добавлять разъём, кабель или отдельную позицию в спецификацию материалов.
Это также элемент конструкции, который чаще всего выходит из строя по причинам, не имеющим ничего общего с теорией антенн. По нашему опыту анализа возвращённых плат, подавляющее большинство проблем печатных антенн связано с топологией: медь там, где её быть не должно, полигон земли, увеличившийся в процессе трассировки, или конструкция без запаса, способного компенсировать обычные производственные отклонения.
В этом руководстве рассматривается, что на самом деле определяет работоспособность печатной антенны: зона запрета размещения, материал подложки, согласующая цепь и допустимые отклонения производственного процесса. Руководство предназначено для инженера, которому передали радиомодуль и необходимо обеспечить работу антенны на конкретной плате.
Ключевые выводы – Самое важное правило — обеспечить свободную от меди зону на каждом слое под излучателем и вокруг него. Большинство неисправностей печатных антенн связано с нарушением именно этого правила, обычно из-за полигона земли на внутреннем слое, который не виден при просмотре внешнего слоя — именно так чаще всего работают разработчики топологии. – Требования к зазорам масштабируются с длиной волны. Для антенны на 433 МГц требуется значительно больше площади платы, чем для антенны на 2,4 ГГц, и это ограничение чаще всего обнаруживается уже после трассировки платы. – Подложка определяет физический размер антенны через её диэлектрическую проницаемость, а также степень потерь мощности в виде тепла через тангенс угла диэлектрических потерь. FR-4 действительно подходит для частоты 2,4 ГГц. – Паяльная маска заметно расстраивает печатную антенну. Согласно измерениям, опубликованным в рецензируемом исследовании на частоте 433 МГц, удаление маски сместило резонанс вверх на 3,5% и увеличило пиковый коэффициент усиления на 1,2 дБ. – Полоса пропускания конструкции — это запас, компенсирующий производственные допуски. Узкополосная конструкция практически не имеет запаса, тогда как широкополосная конструкция на 2,4 ГГц компенсирует те же отклонения без заметного влияния на работу.
Что такое печатная антенна?
Печатная антенна — это проводящая медная дорожка или рисунок, вытравленные на печатной плате, которые преобразуют ток высокой частоты в излучаемые электромагнитные волны, а при приёме преобразуют перехваченные электромагнитные волны обратно в ток высокой частоты. Сама плата является частью излучающей структуры.
Именно этот момент отличает печатную антенну от всех других вариантов антенн. Когда вы покупаете чиповую антенну или внешнюю штыревую антенну, излучающий элемент поставляется с уже заданными характеристиками и результатами испытаний. Когда вы вытравливаете дорожку, вы берёте на себя ответственность за геометрию и за всё, что находится рядом с ней. Вы управляете излучателем, а также каждой частью меди, металла и пластика, которая может расстроить его.
Из этого следуют три практических последствия:
- Нечему отламываться. Нет разъёма, кабеля и отдельной операции сборки. Для изделия, которое могут уронить, это важно.
- Цена — площадь платы и дисциплина при разработке топологии. Вы обмениваете часть свободного места и внимания разработчиков на более низкую себестоимость изделия.
- Характеристики определяются вашей топологией, а не техническим описанием. Одна и та же дорожка на двух разных платах — это две разные антенны.
Обычно такой компромисс оправдан. Печатная антенна является стандартным выбором для любого подключённого устройства, если на плате достаточно места, а команда разработчиков готова считать область антенны защищённым пространством, а не зоной для трассировки.
Печатная антенна, чиповая антенна или внешняя антенна
| Вариант | Площадь | Относительная стоимость | Что вам потребуется учесть |
|---|---|---|---|
| Антенна в виде дорожки | Наибольшие требования | Наименьшая | Дисциплина при разработке топологии и время на настройку |
| Чиповая антенна | Небольшие требования | Низкий | Небольшой риск, связанный с настройкой, немного более низкая эффективность |
| Внешняя / FPC-антенна | Наибольшие совокупные требования | Наибольшая | Разъём, кабель и отдельная операция сборки |
В разделе 9 это рассматривается в виде полной матрицы выбора.
Типы печатных антенн и случаи применения каждого типа
Пять геометрий антенн охватывают почти все применения печатных антенн, и выбор определяется тем, сколько площади платы вы можете выделить, а не тем, какая форма лучше выглядит в эталонной конструкции.
| Тип | Определяющий размер | Типичная площадь на частоте 2,4 ГГц | Рисунок | Идеально подходит для |
|---|---|---|---|---|
| Монопольная антенна | Четвертьволновая над землёй | Дорожка длиной около 23 мм (Nordic) | Всенаправленная | Самая простая интеграция, самая широкая полоса пропускания |
| Меандровая инвертированная F-антенна (MIFA) | Четвертьволновая, сложенная | 7,2 × 11,1 мм | Всенаправленная | Компактные подключённые устройства, основной рабочий вариант |
| Патч-антенна | Полуволновая | Большая | Направленная, с высоким коэффициентом усиления | GPS, связь точка-точка |
| Диполь | Полуволновой, два плеча | Средняя | Сбалансированная всенаправленная | Модули Wi‑Fi и LoRa |
| Рамочная / NFC | Индуктивная | Варьируется | Ближнего поля | RFID и NFC |
Компромиссы — по одной строке на каждый вариант:
- Монополь. Проще всего настраивается и наиболее неприхотлива, поскольку имеет самую широкую полосу пропускания. Требует наибольшей длины.
- MIFA. Сворачивает электрическую длину в компактную конструкцию. За выигрыш в размере приходится платить полосой пропускания и эффективностью, из-за чего такая антенна хуже переносит отклонения при изготовлении.
- Патч-антенна. Обеспечивает усиление и направленность. Требует сплошной заземляющей плоскости непосредственно под собой и большого пространства.
- Диполь. Сбалансированная антенна, меньше зависящая от заземляющей плоскости, но требующая свободной зоны вокруг обоих плеч и симметричной разводки.
- Рамочная антенна и NFC. Совершенно другая модель проектирования. Не применяйте модель патч-антенны для диапазона ГГц к индуктивной рамочной антенне ближнего поля.
Размеры MIFA выше взяты из рекомендаций Infineon по проектированию антенн и ВЧ-разводке, где для приложений с пользовательским интерфейсом на частоте 2,4 ГГц указана антенна размером 7,2 мм x 11,1 мм с шириной проводника 20 мил (Infineon AN91445, документ 001-91445).
Как излучает антенна на печатной плате
Антенна излучает, когда её физическая длина составляет определённую долю длины волны сигнала, а всё, что находится на плате рядом с этим проводником, изменяет его эффективную длину.
На частоте 2,45 ГГц длина волны в свободном пространстве составляет 122,4 мм, поэтому четверть длины волны равна 30,6 мм. Это справочное значение из учебников. Но оно не говорит, какой должна быть длина реального печатного проводника, поскольку связь между формулой и платой слабее, чем предполагает большинство руководств.
Рассмотрим другое значение, которое часто приводят. Деление четверти длины волны в свободном пространстве на квадратный корень из диэлектрической проницаемости подложки даёт 30,6 / √4,3 = 14,8 мм. Ни одно из этих чисел не описывает работающую антенну:
- √Dk — неправильный делитель для антенны на печатном проводнике. Коэффициент скорости микрополосковой линии зависит от эффективной диэлектрической проницаемости, а не от объёмного значения, и для проводника над FR-4 это эффективное значение ближе к 3,0–3,3, чем к 4,3.
- Четвертьволновой монополь над заземляющей плоскостью по длине близок к длине в свободном пространстве, а не к длине, рассчитанной для подложки. Заземляющая плоскость действует как зеркальная плоскость, а концевое удлинение и конечный размер заземляющей плоскости затем несколько укорачивают проводник.
Опубликованные компанией Nordic Semiconductor рекомендации по проектированию уточняют это реальным значением: печатный четвертьволновой монополь на частоте 2,4 ГГц имеет длину около 23 мм, при этом требуется зазор не менее 5 мм до заземляющей плоскости (Nordic Semiconductor, Общие рекомендации по проектированию печатных плат). Это не 14,8 мм и не 30,6 мм, а на 55% больше длины, рассчитанной по параметрам подложки.
Практический вывод: используйте расчёты длины волны как проверку порядка величины, а эталонную конструкцию производителя — как фактическую отправную точку. Затем проведите измерения.
Важен ещё один аспект физики, имеющий значение для всего последующего. Антенна является преобразователем между примерно 50 Ом на стороне радиомодуля и 377 Ом свободного пространства. Каждый элемент между этими двумя точками — фидерная линия, согласующая цепь, подложка — вносит потери. Поэтому близлежащая медь — не мелочь: металл взаимодействует с излучателем, создаёт ёмкостную нагрузку и смещает его резонансную частоту.
Правила разводки антенны на печатной плате: свободная зона, заземляющая плоскость и размещение
Правило разводки, определяющее, будет ли работать антенна на печатной плате, — это зона без меди на каждом слое под излучателем и вокруг него; её размер масштабируется с длиной волны передаваемого сигнала.
Вот что на самом деле указывают документы производителей — и это меньше, чем можно было бы ожидать.
| Рисунок | Источник | Что именно измеряется |
|---|---|---|
| Длина проводника около 23 мм, минимальный зазор до заземляющей плоскости 5 мм | Nordic Semiconductor | Зазор от антенного проводника до края заземляющей плоскости на частоте 2,4 ГГц |
| L4 укорочен до 19,0 мм для переноса диапазона 433–510 МГц в диапазон 868–930 МГц | Texas Instruments SWRA730 | Зависимость длины трассы от рабочего диапазона для антенны размером 43 × 25 мм |
| Площадь антенны нельзя использовать для другой разводки | Texas Instruments SWRA730 | Качественный запрет, односторонняя разводка |
| Зона запрета размещения размером около 70 мил вокруг согласующей ВЧ-цепи | Silicon Labs AN928.2 | Зона запрета размещения вокруг согласующей сети, не зона запрета размещения вокруг антенны |
Ни один производитель микросхем или модулей не публикует таблицу зон запрета размещения в миллиметрах для каждого диапазона. Каждый производитель указывает зазор либо качественно, либо относительно чертежа посадочного места конкретной антенны, либо как единое значение зазора на одной частоте. Если вам встречалась таблица с конкретным диапазоном размеров в миллиметрах для каждого диапазона, почти наверняка она основана на публикациях о производстве, которые приписывают эти данные несуществующему документу производителя. Считайте такую таблицу неатрибутированным отраслевым эмпирическим правилом, а не руководством к действию.
Что однозначно следует из документации:
- Под излучателем не должно быть ни сплошной заливки меди, ни полигона, ни трассы ни на одном из слоёв. Nordic требует сплошную непрерывную землю под ВЧ-трактом от вывода микросхемы до точки питания антенны, а также отдельно требует зону запрета размещения на внутреннем слое под согласующей схемой. Texas Instruments указывает, что область под антенной нельзя использовать для какой-либо другой разводки.
- Зазор увеличивается с длиной волны. Это напрямую следует из физики: четверть длины волны на частоте 433 МГц составляет примерно 173 мм в свободном пространстве, тогда как на частоте 2,45 ГГц — 30,6 мм. Поэтому площадь платы, необходимая антенне субгигагерцевого диапазона, в несколько раз больше, и именно это ограничение чаще всего обнаруживается уже после завершения разводки.
- Антенна у края платы или выступает за пределы подложки, где по крайней мере с одной стороны излучателя имеется свободное пространство.
- Внутри зоны запрета размещения не должно быть металла. Монтажные детали, контакты батареи, экранирующие кожухи и корпуса разъёмов отражают излучаемую энергию обратно в антенну.
- Зафиксируйте механическую конструкцию до настройки. Перемещение корпуса, батареи или монтажной стойки после настройки делает результаты настройки недействительными.
Почему медь под антенной расстраивает её
Любая медь под излучателем или рядом с ним электромагнитно взаимодействует с антенной. Это взаимодействие добавляет паразитную ёмкость, которая нагружает антенну и смещает её резонансную частоту вниз, одновременно ухудшая согласование импедансов. Таков механизм, и именно поэтому это правило является абсолютным, а не рекомендательным: заливка земли, которая кажется безобидной на верхнем слое, на третьем слое становится обкладкой конденсатора.
Конкретный риск заключается в том, что заливки на внутренних слоях невидимы на виде внешнего слоя, с которым обычно работают разработчики топологии. Решение — проверять зону запрета размещения на каждом слое, а не только на том, на котором вы выполняете разводку.
Материалы и структура слоёв платы для антенны
Подложка определяет физический размер антенны через её диэлектрическую проницаемость и определяет, какая доля мощности теряется в виде тепла через коэффициент диэлектрических потерь. FR-4 действительно достаточен на частоте 2,4 ГГц.
Выбор определяют два параметра, выполняющие разные функции. Dk определяет размер: более высокая диэлектрическая проницаемость означает более короткую антенну на той же частоте. Df определяет потери: более высокий тангенс угла диэлектрических потерь преобразует большую часть передаваемой мощности в тепло в диэлектрике вместо излучаемого сигнала.
| Материал | Технологическая Dk | Расчётная Dk | Df при 10 ГГц | Примечания |
|---|---|---|---|---|
| Isola 370HR (FR-4) | 4,04 при 2 ГГц | н/д, зависит от конструкции | 0,0210 при 2 ГГц | Зависит от конструкции; см. ниже |
| Rogers RO4350B | 3,48 ± 0,05 | 3.66 | 0.0037 | ВЧ-схемы |
| Rogers RO4003C | 3,38 ± 0,05 | 3.55 | 0.0027 | ВЧ-схемы среднего диапазона |
| Rogers RT/duroid 5880 | 2,20 ± 0,02 | 2.20 | 0.0009 | PTFE с низкой диэлектрической проницаемостью |
| Rogers RO3003 | 3.00 ± 0.04 | 3.1629 | 0.0010 | PTFE |
All Rogers values are specified at 10 GHz with 2.5 GHz in parentheses, and each is a typical process value with a stated tolerance (Rogers RO4350B, RO4003C, RT/duroid 5880). The Isola figures come from Isola’s 370HR product page, revision E, dated June 2024, which publishes a construction-dependent sweep: Dk runs 4.24 at 100 MHz, 4.17 at 1 GHz, 4.04 at 2 GHz and 3.92 at 5 GHz and 10 GHz, with Df running 0.0150 to 0.0250 across the same range (Isola 370HR).
Two things in that table deserve emphasis.
There is no universal FR-4 Dk. Isola’s own published data spans roughly 3.54 to 4.44 purely on construction, varying with glass style and resin content. Any sentence of the form “FR-4 has Dk 4.3” is defensible only as a rule of thumb, never as a specification. Specify the actual grade.
Process Dk and design Dk are different numbers, and mixing them up is the most common sourcing error in this topic. RO4350B is 3.48 process and 3.66 design. The 5% gap comes from copper surface roughness and foil treatment in a finished board, and it will visibly move a simulated antenna. Use the design value for simulation and the process value, with its tolerance, for manufacturing. Cite which one you used.
The honest threshold for material choice: FR-4 works at 2.4 GHz. Above roughly 5 GHz, dielectric loss starts costing real range and a low-loss laminate becomes worth specifying. An RF laminate does not rescue a bad layout.
How solder mask shifts your resonant frequency
Solder mask raises the effective dielectric constant around the trace and pulls resonance down. The measured figure is larger than the rule of thumb usually quoted.
A peer-reviewed measurement on a 433 MHz modified inverted-F antenna on 1.6 mm FR-4 found that removing the solder mask layers, with all other parameters unchanged, shifted resonant frequency from 433 MHz to 448 MHz, a 3.5% increase, and improved peak realised gain by 1.2 dB, from -13.8 to -12.6 dBi (Buckley et al., Electronics Letters, Vol. 50 No. 8, 2014).
The 1-2% figure that circulates widely comes from fabrication blogs rather than measurement, and it is roughly half the published value. For a narrowband application, a 3.5% shift is the difference between in-band and out. The fix is a solder mask opening over the radiator in the Gerber when the band is tight enough to need it.
Impedance Matching and Tuning a PCB Antenna
Tuning a PCB antenna means transforming its impedance to 50 ohms at the radio output, and the same in reverse on receive, so that power crosses into the antenna instead of reflecting back.
The acceptance number is return loss of 10 dB or better across the entire band. In practical terms, 10 dB is a power ratio of ten, so one tenth of incident power is reflected and 90% is delivered. Infineon’s antenna design guidelines tabulate the relationship directly: S11 of -10 dB corresponds to 10% reflected and 90% radiated, while -20 dB gives 1% reflected and -3 dB gives 50% reflected (Infineon AN91445).
The practical procedure:
- Measure S11 with a vector network analyser across the full band of interest.
- Read the resonant frequency and the complex impedance at band centre.
- Add or change matching components until return loss clears 10 dB across the whole band, not just at centre.
Two things that are easy to get wrong. First, most module reference designs ship a two or three component matching network with specific part values; those values are starting points, not constants, and they change with your stackup and your ground plane geometry. Second, both directions matter: tune looking into the antenna from the chip, and looking into the radio from the antenna.
Be careful not to invert the return loss relationship. A 10 dB return loss means 90% delivered. Confusing it with 90% reflected would be about 0.46 dB, which is a badly broken antenna, not a working one.
Manufacturability: What Fabrication Tolerances Do to Your Antenna
The fabrication process is allowed to miss your nominal dimensions within a published tolerance. An antenna is the one part of the board where those misses show up as RF performance rather than as a slightly different trace.
The strongest sourced figure here is the laminate dielectric constant tolerance, because Rogers publishes it as a headline datasheet specification rather than as a statistical claim:
| Материал | Process Dk tolerance | Relative tolerance | Approx. frequency effect |
|---|---|---|---|
| Rogers RO4350B | ± 0.05 | ± 1.4% | ± 0.7% |
| Rogers RT/duroid 5880 | ± 0.02 | ± 0.9% | ± 0.5% |
| Rogers RO3003 | ± 0.04 | ± 1.3% | ± 0.7% |
The relative tolerances and the frequency effects are derived, not stated by the vendor. The derivation is straightforward: relative Dk tolerance is the absolute band divided by nominal, and resonant frequency scales as 1/√Dk, so a ±1.4% Dk band gives roughly ±0.7% resonant frequency shift.
What else moves the antenna, and in which direction:
- Etch undercut shortens the trace and pulls resonant frequency up. The direction is textbook physics. No primary source quantifies the magnitude, because it is process-dependent. Do not fill in a number here.
- Dielectric thickness variation changes the effective dielectric constant the trace sees, moving both resonance and feed-line impedance.
- Copper thickness variation changes trace width and therefore characteristic impedance.
- Lot-to-lot Dk variation pulls resonance down, as derived above.
On etch tolerance specifically: the widely quoted “±0.0005 inch” figure is not a universal standard value. Most standard subtractive processes quote a percentage rather than an absolute figure, and absolute figures at that scale belong to premium fine-line or laser processes. Likewise, claims that IPC-4101 mandates a specific Dk tolerance trace back to fabrication blogs paraphrasing a paywalled standard, not to the standard itself. Get your fabricator’s actual numbers.
The consequence is the important part. The bandwidth you designed in is the budget that absorbs all of this variation. The 433 MHz antenna in the solder mask study above had a 10 dB return-loss bandwidth of 4.5 MHz, which is about 1% of its centre frequency. A design like that has almost no margin for a ±0.7% Dk shift. A wideband 2.4 GHz design, where Infineon’s worked example holds S11 below -10 dB across 2.33 to 2.56 GHz, about 200 MHz or 8% of centre frequency, absorbs the same variation without noticing.
These are two different antennas at two different frequencies, so read the comparison as a ratio rather than as a like-for-like measurement. The point is that one design has roughly one per cent of its centre frequency available to absorb variation and the other has eight, and that difference is set by the design’s bandwidth, not by its frequency.
Three actions follow: specify controlled impedance, name the laminate grade rather than writing “FR-4”, and ask your fabricator for their actual etch and dielectric tolerances before you freeze the design.
Testing and Measuring a PCB Antenna
A vector network analyser and fifteen minutes on the bench will tell you whether your antenna works. Most of what goes wrong shows up in a single return-loss sweep.
Two tiers of testing exist, and they answer different questions.
| Tier | Instrument | Measures | Who needs it |
|---|---|---|---|
| Bench | Vector network analyser | S11, return loss, resonant frequency, rough efficiency | Almost everyone |
| Chamber | Anechoic chamber | Radiation pattern, gain, TRP, TIS, EIRP | Cellular and certified products |
Tier one gets the most attention here because it is what nearly every reader can actually do. The pass criteria are concrete: return loss of 10 dB or better across the whole band, and resonant frequency centred in the band of interest. If the resonant peak sits at the edge of your band rather than in the middle, the design is marginal even if it passes at centre frequency.
Tier two answers questions about how the antenna radiates into space rather than how it matches. Total radiated power measures total power radiated across a band while transmitting; total isotropic sensitivity measures average receive sensitivity across a band. These are the quantities carrier certification schemes assess for cellular products, which is why they matter commercially rather than just technically.
One rule governs both tiers: measure in the final configuration. The antenna must be measured on the final stackup and in the final enclosure, because that is the only configuration that means anything. A result from a bare board is not a result. This is also why the mechanical layout has to be frozen before tuning began.
Passing the RF measurement is not the same as passing final acceptance. Once the board is assembled, the workmanship criteria that decide whether it ships are a separate question, covered in our guide to IPC-A-610 acceptance criteria.
PCB Antenna vs Chip Antenna vs External Antenna
The choice between a trace antenna, a chip antenna and an external antenna is a trade between board area, schedule risk and range. The right answer depends on which of the three you can least afford.
| Вариант | Площадь | Относительная стоимость | Relative efficiency | Integration effort | Failure mode |
|---|---|---|---|---|---|
| Антенна в виде дорожки | Largest board area | Наименьшая | Best per unit area | High: layout discipline plus tuning | Fails silently if the keep-out is wrong |
| Чиповая антенна | Небольшие требования | Низкий | Slightly lower | Low: minimal tuning | Fails if the keep-out is wrong too |
| Внешняя / FPC-антенна | Largest total volume | Наибольшая | Best range | Medium: connector and cable | Fails at the connector |
The decision rules:
- Board area is genuinely available and volume justifies the tuning work? Go trace. It is cheapest and performs well, and the tuning effort is a one-time cost.
- Плата маленькая или сроки поджимают? Выбирайте чиповую антенну. Она устраняет большую часть риска, связанного с настройкой, всего за несколько центов доплаты, но требования к зоне запрета всё равно остаются в силе.
- Корпус металлический или требования к дальности связи особенно жёсткие? Выбирайте внешнюю антенну и миритесь с разъёмом и кабелем. Излучать изнутри металлического корпуса надлежащим образом невозможно.
Обратите внимание на то, что написано в среднем столбце таблицы. Чиповая антенна не позволяет обойти правило зоны запрета. Она позволяет не настраивать антенну со специально разработанной геометрией, но при попадании меди в запрещённую область выходит из строя так же, как и антенна в виде проводника.
Распространённые неисправности печатных антенн и способы их устранения
Большинство проблем с печатными антеннами сводится к пяти симптомам, и для каждого есть одна наиболее вероятная причина, которую можно проверить менее чем за час.
| Симптом | Наиболее вероятная причина | Что проверить | Способ устранения |
|---|---|---|---|
| Измеренная резонансная частота ниже требуемой | Медь под излучателем или рядом с ним | Проверьте зону запрета на каждом слое, а не только на верхнем | Удалите медь из зоны запрета на всех слоях и выполните повторное измерение |
| Измеренная резонансная частота выше требуемой | Проводник вытравлен слишком коротким или имеет меньший размер, чем предполагалось в эталонной конструкции | Сравните фактический размер изготовленной платы с данными Gerber | Скорректируйте длину проводника или проверьте её по эталонной конструкции производителя |
| Коэффициент отражения в норме, но дальность мала | Согласование выполнено, но эффективность низкая | Проверьте наличие металла внутри зоны запрета и сравните Df материала подложки с рабочей частотой | Удалите металл и убедитесь, что тангенс угла диэлектрических потерь подходит для конструкции |
| На стенде работает, в корпусе — нет | Корпус или покрытие расстраивают излучатель | Проведите измерение с закрытым корпусом | Оцените диэлектрические свойства материала корпуса и переместите антенну |
| Характеристики различаются у разных экземпляров | Разброс параметров производства съедает запас по характеристикам | Сравните S11 на нескольких платах | Расширьте полосу пропускания или ужесточите требования к допускам |
Первая строка встречается намного чаще остальных, а соответствующую проверку пропускают чаще всего. Полигон земли, добавленный при трассировке на слое, который вы не просматривали, даёт именно такой симптом.
Четвёртая строка заслуживает отдельного замечания. Именно поэтому механическую компоновку необходимо зафиксировать до настройки. Изменение корпуса после настройки — это не небольшое возмущение параметров: оно может полностью вывести антенну из рабочей полосы.
Frequently Asked Questions
Что такое PCB-антенна?
Печатная антенна — это медный проводник или рисунок, вытравленный непосредственно на печатной плате и предназначенный для передачи и приёма радиочастотных электромагнитных волн. Поскольку плата является частью излучающей структуры, её компоновка влияет на характеристики антенны не меньше, чем геометрия проводника.
Внешние антенны лучше внутренних?
Для дальности — да, для стоимости, размера и надёжности — нет. Внешняя антенна излучает в свободное пространство и обычно обеспечивает большую дальность, но добавляет разъём, кабель, этап сборки и ещё одну потенциальную точку отказа. Внутренняя печатная антенна дешевле и лучше защищена от повреждений, но уступает в дальности и требует защищённой области на плате для нормальной работы.
Сколько места на плате требуется печатной антенне?
Это почти полностью зависит от частоты, поскольку требования к зазорам масштабируются с длиной волны. В эталонной конструкции Nordic для частоты 2,4 ГГц используется проводник длиной примерно 23 мм с зазором 5 мм до плоскости земли, тогда как четвертьволновая антенна на частоте 433 МГц имеет длину около 173 мм в свободном пространстве, поэтому антеннам диапазона ниже 1 ГГц требуется площадь в несколько раз больше.
Можно ли разместить плоскость земли под печатной антенной?
Нет. Медь под излучателем взаимодействует с ним, добавляет паразитную ёмкость и расстраивает антенну. Плоскость земли должна находиться за пределами границы зоны запрета, а не под антенной. Nordic требует сплошную землю под трактом радиочастотного питания и отдельно требует зоны запрета под согласующей схемой.
Влияет ли паяльная маска на характеристики печатной антенны?
Да. Паяльная маска повышает эффективную диэлектрическую проницаемость и снижает резонансную частоту. В опубликованном рецензируемом исследовании на частоте 433 МГц удаление маски сместило резонанс с 433 до 448 МГц, то есть на 3,5 %, и повысило максимальный коэффициент усиления на 1,2 дБ. Для узкополосных конструкций предусмотрите окно в паяльной маске над излучателем.
Как настраивают печатную антенну?
Измерьте S11 с помощью анализатора цепей векторного типа во всём диапазоне, определите резонансную частоту и импеданс в центре полосы, затем корректируйте согласующую цепь, пока коэффициент отражения не будет превышать 10 дБ по всей полосе. Номиналы компонентов из эталонной конструкции являются лишь отправной точкой и изменяются в зависимости от вашей структуры слоёв.
Сложно ли разрабатывать печатные антенны?
Теория требует серьёзных знаний, но практических сценариев отказа немного, они достаточно конкретны и почти всегда связаны с компоновкой, а не с математикой. Если защищать зону запрета на каждом слое, указывать марку ламината и проводить измерения до закрытия корпуса, большая часть рисков исчезает.
Нужны ли печатным антеннам специальные материалы для плат?
На частоте 2,4 ГГц — нет: стандартный FR-4 обеспечивает достаточные характеристики. Выше примерно 5 ГГц диэлектрические потери начинают сокращать дальность, и становится оправданным применение малопотерного ламината. Указание радиочастотного ламината не компенсирует плохую компоновку, а универсальной диэлектрической проницаемости FR-4, на которую можно было бы ориентироваться, не существует.
С чего начать
Сначала проверьте собственную плату на соответствие правилу зоны запрета. Проверьте каждый слой на наличие меди под излучателем и рядом с ним, а не только тот слой, на котором вы выполняете трассировку, и убедитесь, что при механической компоновке внутри границы зазора не оказалось металла.
Затем укажите марку ламината, а не просто напишите «FR-4», и измерьте S11 до закрытия корпуса. Эти три шага именно в таком порядке выявляют большинство проблем.
Если структура слоёв и топология уже выпущены в производство, мы можем проверить область антенны, спецификацию ламината и требования к контролируемому импедансу до того, как вы разместите заказ на изготовление.
Источники
- Корпорация Rogers, ламинаты RO4350B, ламинаты RO4003C, и ламинаты RT/duroid 5880. Технологические и проектные диэлектрические проницаемости с допусками и тангенсы угла диэлектрических потерь, указанные для частот 10 ГГц (2,5 ГГц). Дата обращения: 20.10.2026.
- Группа Isola, ламинат и препрег 370HR, редакция E, июнь 2024 г. Диэлектрическая проницаемость и тангенс угла диэлектрических потерь в зависимости от конструкции в диапазоне от 100 МГц до 10 ГГц с указанием методов испытаний IPC-TM-650. Дата обращения: 20.10.2026.
- Nordic Semiconductor, Общие рекомендации по проектированию печатных плат, касающиеся приблизительной длины печатного четвертьволнового монополя 23 мм, минимального зазора 5 мм до заземляющего слоя и требования о наличии сплошного заземления под ВЧ-трактом с запретной зоной на внутреннем слое под согласующей схемой. Дата обращения: 20.10.2026.
- Infineon Technologies, AN91445. Рекомендации по проектированию антенн и ВЧ-трассировке, документ 001-91445, касающиеся таблицы коэффициента отражения и отражённой мощности, порогового значения достаточности 10 дБ, размеров MIFA 7,2 x 11,1 мм при ширине дорожки 20 mil и приведённого широкополосного примера для частоты 2,4 ГГц. Дата обращения: 20.10.2026.
- J. Buckley, D. Gaetano, K. G. McCarthy, L. Loizou, B. O’Flynn и C. O’Mathuna, «Компактная антенна 433 МГц для применений в беспроводных интеллектуальных системах», Electronics Letters, том 50, № 8, с. 572–574, 10 апреля 2014 г., DOI 10.1049/el.2013.4312, посвящённые измеренному смещению резонансной частоты при наличии паяльной маски с 433 МГц до 448 МГц, изменению коэффициента усиления на 1,2 дБ и полосе пропускания по коэффициенту отражения 4,5 МГц.
- техасские инструменты, SWRA730. Настраиваемая печатная антенна по спецификации BOM для диапазонов 433–930 МГц и 2,4 ГГц, февраль 2022 г., касающиеся размеров антенны 43 x 25 мм, длины дорожки L4 19,0 мм и запрета на прокладку трасс под антенной.
- Silicon Labs, AN928.2. Руководство по проектированию топологии EFR32 Series 2, редакция 1.5, касающееся размеров запретных зон согласующей схемы — приблизительно 70 mil и 37 mil. Обратите внимание, что они относятся к согласующей цепи, а не к излучателю антенны.
- 47 CFR, часть 15, правила FCC для нелицензируемых передатчиков, регулирующие работу в ISM-диапазонах 902–928 МГц и 2,4–2,5 ГГц в США.
- ETSI EN 300 328, регламентирующий широкополосные системы передачи в ISM-диапазоне 2,4 ГГц в Европе.
