天線的設計！一本史無前例的設計“寶典”！

2016-10-25 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

1、天線饋電的考量

表2顯示的是雙層FR4PCB頂層和底層間厚度的“W”值(相應的介電常數(shù)為4.3)。頂層包含了天線走線;而底層則是包含了固態(tài)RF接地層的下一層。底層的余下PCB空間可以作為信號接地層使用(針對PRoC/PSoC和其他電路)。圖a顯示的是典型的雙層PCB厚度的“W”值。

表2.FR4PCB的“W”值:天線層與相鄰射頻的接地層間的厚度。

圖a.PCB厚度說明

對于為天線饋電更短的PCB走線,這樣的寬度要求是比較寬松的。要確保天線走線的寬度和天線饋電接點的寬度相同。在圖b展示的情況中,天線饋電的走線寬度不是表2中所規(guī)定的寬度。

圖b.短走線的天線饋電寬度

但如果傳輸線較長(從匹配網(wǎng)絡至天線或回到PRoC/PSoC的ANT引腳的線的長約為1cm),那么賽普拉斯建議使用底層上寬度特定的“W”的傳輸線(TLine)類型(該線被放置在PCB上)作為饋源。

圖c表示的是MIFA的S11。該MIFA的帶寬(S11≤–10dB)范圍為2.44GHz±230MHz。因此,在2.44GHz±230MHz的范圍內,天線的反射小于或等于10%,這樣將夠用于BLE應用。

圖c.MIFA的S11(回波損耗=–S11)

圖d顯示的是MIFA在2.44GHz頻率時完整的3D輻射增益圖。在給自定義應用設置MIFA天線時,該信息非常有用,有助于在需要的方向上得到最大的輻射。在上面的圖中:MIFA被放置在XY平面上,Z軸方向與它垂直。

圖d.MIFA的3D輻射增益圖

提供該輻射圖,可以知道:最大的輻射出現(xiàn)在與X軸成30°角度的圓錐空間內。這是因為MIFA在XY平面上不能保持正橫或正豎的方向。MIFA豎向部分和末梢和均參加了輻射,并形成一個傾斜的輻射圖。

2、天線長度的考量

根據(jù)PCB的不同厚度,需要調整MIFA天線的長度,這樣才能調整天線輻射的阻抗和頻率選擇。根據(jù)不同的電路板厚度,賽普拉斯提供了下面各天線長度。

圖e.MIFA的長度

表3.豎向部分和末梢的長度(L_Tip/L_leg)

圖e顯示的是兩種適用于兩個不同電路板厚度的MIFA天線。設計人員根據(jù)特定的電路板厚度進行調整MIFA天線的長度時,請參考表3。

3、倒F天線(IFA)

對于天線的尺寸有一定限制條件的應用中(例如心率監(jiān)視器),推薦您選用這種IFA。比如推薦的IFA的詳細布局,其中包含了雙層PCB中的頂層和底層。其走線寬度約為24mm。

對于厚度為1.6mm的FR4PCB,IFA的尺寸被設計為4mm×20.5mm(157.5mils×807mils)。與MIFA相比,IFA的寬高比(寬度和高度的比例)更大。

頂層(天線層)

底層(RF接地層)

饋電走線的寬度“W”受產品中PCB堆棧的影響。表4根據(jù)頂層(天線層)和底層(相鄰射頻接地層)間不同的PCB厚度給FR4基板提供了相應的“W”值(相應的介電常數(shù)為4.3)。頂層包含天線跡線;而底層則為其緊挨的包含了固態(tài)RF接地層的下一層。底層上剩余的PCB空間可以作為信號接地平面使用(對于PRoC/PSoC和其他電路)。圖g將典型的雙層PCB的“PCB厚度”的概念與“F”值聯(lián)系起來。

表4.FR4PCB的“F”值:天線層與相鄰射頻的接地層間的厚度。

圖g.PCB厚度說明

對于小于3mm的短走線,天線饋電厚度是可以調整的。天線饋電的厚度可以與天線走線厚度相同,請參見圖b。

IFA在220MHz的帶寬上(S11≤–10dB)的頻率約為2.44GHz,如圖h中所示。

圖h.IFA的S11(回波損耗=-S11)

圖i顯示的是IFA在XY平面上的定性輻射圖。在為客戶應用設置IFA天線時,該信息非常有用,有助于在需要的方向上得到最大的輻射。為了便于觀察,圖中只顯示了定性輻射的方向。有關所有XY、YZ、ZX平面上詳細的輻射圖,請聯(lián)系賽普拉斯的技術支持。

圖i.IFA的定性2D輻射增益圖

4、芯片天線

對于PCB尺寸非常小的利基應用(例如藍牙收發(fā)器),芯片天線不失為一種很好的辦法(圖j)。它們是現(xiàn)成的天線,占用的PCB空間最小,并且能夠提供較好的性能。但芯片天線增加了材料清單(BOM),并需要裝配費用。因為它要求訂購和裝配外部組件。通常,芯片天線的價格約為10-50美分,具體價格取決于尺寸和性能。

圖j.芯片天線

使用芯片天線時,也應考慮另一個關鍵因素:它受輻射接地面積的影響。所以,必須遵循廠家對接地面積的推薦。與PCB天線不同,芯片天線不能通過改變天線長度來調整。另外需要一個匹配網(wǎng)絡才能調整該天線,因此會增加更多的材料清單。

賽普拉斯只推薦將芯片天線使用在要求PCB空間極小的特定應用中,例如:Nano藍牙收發(fā)器。對于這樣的應用,賽普拉斯建議使用具有約翰森技術的2450AT18B100E芯片天線,其尺寸為63milx126mil。而對于大部分應用,則建議使用PCB天線,如MIFA或IFA。這些小外形(占用空間小)天線不但廉價,而且提供的性能非常卓越。圖k和圖l顯示的是具有約翰森技術的2450AT42B100E芯片天線布局指南。其尺寸為118milx196mil。更多有關這些天線的詳細指南,請參考它們相關的網(wǎng)址。

圖k.具有約翰森技術的2450AT42B100E芯片天線的布局指南

該布局也顯示了50Ω的饋電傳輸線以及與其相匹配的組件。饋電傳輸線的寬度取決于電路板的厚度。表4中指定了準確的電路板厚度。

圖l.與產品網(wǎng)頁中相同的約翰森技術天線的布局指南。

芯片天線的性能是由接地層決定。一般來說,它們需要更多的接地面積和更大的空間。如上圖所示,對于2450AT42B100E的天線,最小的接地距離為0.8mm。該間距為2-3mm時,觀察到的s11會更加明顯。

芯片天線不一定是嚴格等向性的。輻射存在某些優(yōu)先的方向。根據(jù)Gnd間距和塑料配件,輻射最大的方向也不一樣。有關約翰森技術的芯片天線(2450AT42B100E)的常見輻射方向,請參見圖m。

圖m.芯片天線的輻射圖

賽普拉斯只推薦將芯片天線使用在要求PCB空間極小的特定應用中,例如:Nano藍牙收發(fā)器或超小的模塊。對于這些應用,賽普拉斯也建議使用含有約翰森技術的2450AT42B100E芯片天線,因為與2450AT18B100E相比,它的尺寸更大,射頻性能更好,并且需要較小的Gnd間距。介紹翰森技術天線的內容僅供參考。更多有關2.4GHz芯片天線的信息,請向各供應商索取,如Murata、Vishay等。

對于大部分應用,建議使用PCB天線,如MIFA或IFA。這些外形小(占用空間小)的天線雖然廉價,但提供的性能非常卓越。

5、導線天線

導線天線是傳統(tǒng)的舊式天線,將一條鋁線或一根四分之一波長的回形針固定在PCB上面便構成了這種天線,該鋁線或回形針按螺旋形狀安裝在PCB上,然后在距離PCB5-6mm的位置與該層并行。

不用再做介紹,由于它們作為3D天線裸露在空氣中,所以它們的射頻性能非常好。這種天線具有最好的信號范圍和最等向的輻射方向圖。導線天線的無線覆蓋范圍可超過100英尺。

對于要求小外形天線的BLE應用,不建議使用這種天線,因為它會占用較大空間和垂直高度。但如果有足夠的空間,那么這種天線可實現(xiàn)最佳的射頻范圍、方向性以及輻射方向圖等性能。