【絕密資料】萬(wàn)字2.4G天線設(shè)計(jì)指南

2017-03-11  by:CAE仿真在線  來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

本文章使用簡(jiǎn)單的術(shù)語(yǔ)介紹了天線的設(shè)計(jì)情況,并推薦了兩款經(jīng)過(guò)賽普拉斯測(cè)試的低成本PCB天線。這些PCB天線能夠與賽普拉斯PRoC?和PSoC®系列中的低功耗藍(lán)牙(BLE)解決方案配合使用。為了使性能最佳,PRoC BLE和PSoC4 BLE2.4GHz射頻必須與其天線正確匹配。本應(yīng)用筆記中最后部分介紹了如何在最終產(chǎn)品中調(diào)試天線。  

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簡(jiǎn)介

天線是無(wú)線系統(tǒng)中的關(guān)鍵組件,它負(fù)責(zé)發(fā)送和接收來(lái)自空中的電磁輻射。為低成本、消費(fèi)廣的應(yīng)用設(shè)計(jì)天線,并將其集成到手提產(chǎn)品中是大多數(shù)原裝設(shè)備制造商(OEM)正在面對(duì)的挑戰(zhàn)。終端客戶從某個(gè)RF產(chǎn)品(如電量有限的硬幣型電池)獲得的無(wú)線射程主要取決于天線的設(shè)計(jì)、塑料外殼以及良好的PCB布局。  

對(duì)于芯片和電源相同但布局和天線設(shè)計(jì)實(shí)踐不同的系統(tǒng),它們的RF(射頻)范圍變化超過(guò)50%也是正常的。本應(yīng)用筆記介紹了最佳實(shí)踐、布局指南以及天線調(diào)試程序,并給出了使用給定電量所獲取的最寬波段。

圖1.典型的近距離無(wú)線系統(tǒng)  

設(shè)計(jì)優(yōu)良的天線可以擴(kuò)大無(wú)線產(chǎn)品的工作范圍。從無(wú)線模塊發(fā)送的能量越大,在已給的數(shù)據(jù)包錯(cuò)誤率(PER)以及接收器靈敏度固定的條件下,傳輸?shù)木嚯x也越大。另外,天線還有其他不太明顯的優(yōu)點(diǎn),例如:在某個(gè)給定的范圍內(nèi),設(shè)計(jì)優(yōu)良的天線能夠發(fā)射更多的能量,從而可以提高錯(cuò)誤容限化(由干擾或噪聲引起的)。同樣,接收端良好的調(diào)試天線和Balun(平衡器)可以在極小的輻射條件下工作。  

最佳天線可以降低PER,并提高通信質(zhì)量。PER越低,發(fā)生重新傳輸?shù)拇螖?shù)也越少,從而可以節(jié)省電池電量。  

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天線原理

天線一般指的是裸露在空間內(nèi)的導(dǎo)體。該導(dǎo)體的長(zhǎng)度與信號(hào)波長(zhǎng)成特定比例或整數(shù)倍時(shí),它可作為天線使用。因?yàn)樘峁┙o天線的電能被發(fā)射到空間內(nèi),所以該條件被稱為“諧振”。  

圖2. 偶極天線基礎(chǔ)  

如圖2所示,導(dǎo)體的波長(zhǎng)為λ/2,其中λ為電信號(hào)的波長(zhǎng)。信號(hào)發(fā)生器通過(guò)一根傳輸線(也稱為天線饋電)在天線的中心點(diǎn)為其供電。按照這個(gè)長(zhǎng)度,將在整個(gè)導(dǎo)線上形成電壓和電流駐波,如圖2所示。  

輸入到天線的電能被轉(zhuǎn)換為電磁輻射,并以相應(yīng)的頻率輻射到空中。該天線由天線饋電供電,饋電的特性阻抗為50Ω,并且輻射到特性阻抗為377Ω的空間中。  

因此,對(duì)于天線的幾何形狀,有兩個(gè)非常重要的事項(xiàng)需要注意:  

1.天線長(zhǎng)度  

2.天線饋電  

長(zhǎng)度為λ/2的天線(如圖2所示)被稱為偶極天線。但在印刷電路板中,大多作為天線使用的導(dǎo)體長(zhǎng)度僅為λ/4,但仍具有相同的性能。請(qǐng)參見(jiàn)圖3。  

通過(guò)在導(dǎo)體下方一定距離的位置上放置接地層,可以創(chuàng)建與導(dǎo)體長(zhǎng)度相同的鏡像(λ/4)。被組合在一起時(shí),這些引腳作為偶極天線使用。這種天線被稱為四分之一波長(zhǎng)(λ/4)天線。

PCB上幾乎所有的天線都按銅制接地層上四分之一波長(zhǎng)的尺寸實(shí)現(xiàn)。請(qǐng)注意,該信號(hào)現(xiàn)在是單端饋電,同時(shí)接地層作為返回路徑使用。  

圖3. 四分之一波長(zhǎng)天線  

對(duì)于大多數(shù)PCB中使用的四分之一波長(zhǎng)天線,需要特別注意:  

1. 天線長(zhǎng)度  

2. 天線饋電  

3. 接地層和回流路徑的形狀和尺寸  

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天線類型

如前部分所述,在自由空間中裸露的波長(zhǎng)為λ/4的所有導(dǎo)體被放在一個(gè)接地層上,并為其提供合適的電壓,那么該導(dǎo)體可以作為一個(gè)天線使用。根據(jù)不同的波長(zhǎng),天線可能與汽車的FM天線一樣長(zhǎng),也可能與信號(hào)浮標(biāo)上的走線一樣短。對(duì)于2.4GHz的應(yīng)用,大部分PCB天線都屬于下面的類型:  

1.導(dǎo)線天線:這是在PCB上延長(zhǎng)到自由空間中的一段導(dǎo)線,它的長(zhǎng)度為λ/4,并被放置在接地層上。這種天線是由50Ω阻抗的傳輸線供電的。通常,該導(dǎo)線天線提供的性能和輻射范圍最好。該導(dǎo)線可以是直線、螺旋或是回路的。它是一個(gè)三維(3D)的結(jié)構(gòu),其中天線高出PCB4-5mm,并伸出到空間內(nèi)。  

圖4.導(dǎo)線天線  

2. PCB天線:它是PCB上的一根PCB走線,并且可以將其畫成直線形走線、反轉(zhuǎn)的F形走線、蛇形或圓形走線等。在一個(gè)PCB天線中,與導(dǎo)線天線不同的是,該天線沒(méi)有被露到外部空間內(nèi),而是在同一個(gè)PCB層上以二維(2D)結(jié)構(gòu)形式存在;請(qǐng)參見(jiàn)圖5。  

當(dāng)裸露到空間外的3D天線被放置到PCB層上作為2D的PCB走線時(shí),必須遵循一定的指南。一般情況下,與導(dǎo)線天線相比,它需要的PCB空間更大,效率也低,但成本低,并且可以給BLE應(yīng)用提供可接收的無(wú)線距離。

圖5. PCB天線  

3.芯片天線:這是一種帶有導(dǎo)體的天線,天線和導(dǎo)體都被組裝在小型的IC封裝中。當(dāng)天線被封裝在很小的尺寸內(nèi)時(shí),它會(huì)變得很有優(yōu)勢(shì)。天線USB的納米收發(fā)器等應(yīng)用會(huì)使用這種天線,當(dāng)PCB上沒(méi)有足夠的空間來(lái)布局PCB天線時(shí)。

有關(guān)芯片天線的信息,請(qǐng)參見(jiàn)下圖。想要了解各種天線的尺寸對(duì)比,請(qǐng)參見(jiàn)表4。  

圖6.芯片天線  

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天線選擇

天線的選擇取決于其應(yīng)用、可用電路板的尺寸、成本、輻射范圍以及方向性等因素。  

藍(lán)牙低功耗(BLE)應(yīng)用(比如無(wú)線鼠標(biāo))只需要10英寸的輻射范圍和幾kbps的數(shù)據(jù)速率。然而,對(duì)于采用語(yǔ)音識(shí)別的遙控應(yīng)用,則需要一個(gè)室內(nèi)設(shè)置天線,該天線的輻射范圍大概為10-15英寸,并且其數(shù)據(jù)速率為64kbps。  

對(duì)于無(wú)線音頻應(yīng)用,需要分集天線。分集天線是指:將兩根天線放置在同一個(gè)PCB上,這樣可以保證最少有一根天線始終能夠接收某些輻射,而另一根天線則可能會(huì)因反射和多路徑衰弱而被遮住。

在傳輸實(shí)時(shí)音頻數(shù)據(jù)并需要較高的吞吐量而不會(huì)丟失數(shù)據(jù)包的情況下,需要用到分集天線。也可以將它用在信標(biāo)應(yīng)用中,進(jìn)行室內(nèi)定位。

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天線參數(shù)

下面部分提供了天線性能的某些關(guān)鍵參數(shù)。  

§ 回波損耗:天線的回波損耗表示天線如何與阻抗為50Ω的傳輸線(TL)實(shí)現(xiàn)匹配,將其顯示為圖7中的信號(hào)饋送。通常,這個(gè)TL的阻抗值為50Ω,但也可以是其他數(shù)值。對(duì)于工業(yè)標(biāo)準(zhǔn),商業(yè)天線和它的測(cè)試設(shè)備的電阻為50Ω,因此建議您最好使用該值。  

回波損耗指出:由于不匹配,天線反射的入射功率大小(公式1)。一個(gè)理想的天線會(huì)發(fā)射全部功率,不會(huì)產(chǎn)生任何反射。  

公式1 Return Loss(dB)= 10 log(Pincident/Preflect)

如果該回波損耗是無(wú)限的,則認(rèn)為天線與TL完全匹配,如圖7所示。S11是回波損耗的倒數(shù),其單位為dB。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)估計(jì),如果回波損耗≥10dB(既S11≤–10dB),便足夠大。

表1顯示了天線的回波損耗(dB)與反射功率(%)?；夭〒p耗為10dB時(shí),表示90%的入射功率被傳給天線以進(jìn)行發(fā)射。  

圖7.回波損耗 

表1.天線的回波損耗及反射功率  

§ 帶寬:是指天線的頻率響應(yīng)。它表示在采用的整個(gè)頻帶上,即在BLE應(yīng)用的2.40GHz至2.48GHz的范圍內(nèi),該天線與50Ω的傳輸線如何相互匹配。  

圖8.帶寬  

如圖8所示,在2.33GHz至2.55GHz的帶寬上,回波損耗大于10dB。因此,采用的帶寬為200MHz左右。  

§ 輻射效率:指的是非反射功耗中的一部分(請(qǐng)參見(jiàn)圖7)被消耗為天線中的熱量。產(chǎn)生熱量是由于FR4基板中的介電損耗以及銅線中的導(dǎo)體損耗造成的。該信息作為輻射效率。

輻射效率為100%時(shí),全部非反射的功耗都被發(fā)射到空間內(nèi)。對(duì)于小型的PCB外形因素,熱耗最小。  

§ 輻射圖型:該圖型表示輻射的方向性,即表示在哪個(gè)方向上的輻射更大,哪個(gè)方向上的輻射更小。這有助于在應(yīng)用中準(zhǔn)確地確定天線的方向。  

無(wú)方向性天線可以按與軸線相垂直的平面上所有方向進(jìn)行等效發(fā)射。但大多數(shù)天線都達(dá)不到這個(gè)理想的性能。欲了解詳細(xì)說(shuō)明,請(qǐng)參看圖9中所示的PCB天線的輻射圖。

每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)都代表RF場(chǎng)強(qiáng),可以通過(guò)接收器中用于接收信號(hào)強(qiáng)度的指示器(RSSI)進(jìn)行測(cè)量。正如所料的情況,獲得的輪廓圖像并不是圓形的,因?yàn)樵撎炀€不是各向同性的。  

圖9.輻射方向圖  

§ 增益:增益提供了所采用方向的輻射與各向同性天線(即可從所有方向進(jìn)行發(fā)射)進(jìn)行對(duì)比的信息。增益單位為dBi,即表示在與一個(gè)理想的無(wú)方向性天線進(jìn)行對(duì)比時(shí)輻射的場(chǎng)強(qiáng)。  

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賽普拉斯PRoC/PSoCBLE的天線 

設(shè)計(jì)BLE的一個(gè)受限因素便是需要在一個(gè)緊湊的空間中集成天線,并且最多只能使用兩個(gè)外部組件進(jìn)行調(diào)整。調(diào)試過(guò)程需要確保在某個(gè)頻帶內(nèi)進(jìn)行傳輸時(shí)應(yīng)盡可能保持傳入天線的能量。這便意味著,所需帶段中的回波損耗要大于10dB。當(dāng)天線的輸入阻抗為50Ω,并且芯片輸出阻抗為50Ω時(shí),天線收到的能量最大。天線作為接收端時(shí),也要滿足上述條件。對(duì)于天線來(lái)說(shuō),它的調(diào)整過(guò)程能夠確保天線的阻抗等于50Ω。對(duì)于芯片來(lái)說(shuō),Balun(平衡器)調(diào)整過(guò)程可保證電阻接近50Ω。  

PRoC/PSoCBLE器件中集成平衡器的阻抗并不等于50Ω,所以可能需要通過(guò)兩個(gè)組件對(duì)其進(jìn)行調(diào)整。對(duì)于射頻范圍較小的低數(shù)據(jù)速率應(yīng)用,賽普拉斯所推薦的PCB天線不需要通過(guò)任何組件來(lái)調(diào)整天線。  

對(duì)于高數(shù)據(jù)速率的應(yīng)用(如通過(guò)遙控器的聲音識(shí)別應(yīng)用),建議至少需要使用四個(gè)組件進(jìn)行匹配網(wǎng)絡(luò)。其中兩個(gè)用于平衡器調(diào)整,其余兩個(gè)用于天線調(diào)整?？墒褂闷渲袃蓚€(gè)進(jìn)行調(diào)整過(guò)程,剩下的兩個(gè)保持待用狀態(tài)。  

此外,賽普拉斯PRoC/PSoC還提供了不同的應(yīng)用,如室內(nèi)定位、智能家居、智能電器以及傳感器集線器。這些應(yīng)用可能不受空間的限制,因此,可以針對(duì)射頻范圍和射頻方向圖等因素為這些應(yīng)用設(shè)計(jì)更好的天線。導(dǎo)線天線非常適合非穿戴式但位置固定的應(yīng)用。  

很多應(yīng)用直接在其主PCB中嵌入了賽普拉斯的該類模塊,用以實(shí)現(xiàn)無(wú)線連接。這些應(yīng)用要求通過(guò)FCC的低成本小型模塊。這時(shí)可以使用滿足這些要求的芯片天線。  

雖然使用2.4GHz頻段的應(yīng)用很多,但大多數(shù)BLE應(yīng)用僅使用了下面介紹的雙PCB天線。賽普拉斯推薦使用兩種專有的PCB天線、蛇形倒F天線(MIFA)和倒F形天線(IFA),它們是針對(duì)BLE應(yīng)用而特性化和廣泛模擬的天線。特別是MIFA,可將它用于幾乎所有的BLE應(yīng)用中。

賽普拉斯專有的PCB天線

賽普拉斯推薦使用IFA和MIFA這兩種PCB天線。BLE應(yīng)用中的低速率和典型的輻射圍范使這兩種天線特別有用。這些天線既便宜又容易設(shè)計(jì),這是因?yàn)樗鼈兪荘CB的組成部分,并且能夠在150至250MHz的頻段范圍內(nèi)提供良好的性能。

建議將MIFA天線使用在僅需極小的PCB空間的應(yīng)用中,如無(wú)線鼠標(biāo)、鍵盤、演示機(jī)等等。對(duì)于IFA天線,建議將其應(yīng)用在要求天線一側(cè)的尺寸遠(yuǎn)小于另一側(cè)的尺寸的應(yīng)用中,如心率監(jiān)視器。大多數(shù)BLE應(yīng)用中使用的是MIFA天線。下面各節(jié)將詳細(xì)介紹每種天線的信息。

蛇形倒F天線(MIFA)

MIFA是一種普通的天線,被廣泛地使用在各個(gè)人機(jī)接口設(shè)備(HID)中,因?yàn)樗加玫腜CB空間較小。因此賽普拉斯已設(shè)計(jì)出一種結(jié)實(shí)的MIFA天線,而它能在較小的波形系數(shù)中提供優(yōu)越的性能。該天線的尺寸為7.2mm×11.1mm(相當(dāng)于284密耳×437密耳),因此它很適合于各種HID的應(yīng)用,例如無(wú)線鼠標(biāo)、鍵盤或演示機(jī)等。圖10顯示的是所推薦的MIFA天線的詳細(xì)布局,其中包含了雙層PCB的頂層和底層。這種天線的跡線寬度均為20密耳。“W”的值是可改變的主要參數(shù),它取決于PCB堆棧間隔,它表示RF走線(傳輸線)的寬度。

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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(yīng)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(hào)接地層使用(針對(duì)PRoC/PSoC和其他電路)。圖11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11.PCB厚度說(shuō)明

對(duì)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(diǎn)的寬度相同。在圖12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11.PCB厚度說(shuō)明

對(duì)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(diǎn)的寬度相同。在圖12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13.MIFA的S11(回波損耗=–S11)

圖14顯示的是MIFA在2.44GHz頻率時(shí)完整的3D輻射增益圖。在給自定義應(yīng)用設(shè)置MIFA天線時(shí),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14.MIFA的3D輻射增益圖

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(nèi)。這是因?yàn)镸IFA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(gè)傾斜的輻射圖。

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天線長(zhǎng)度的考量

根據(jù)PCB的不同厚度,需要調(diào)整MIFA天線的長(zhǎng)度,這樣才能調(diào)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(zhǎng)度。

圖15.MIFA的長(zhǎng)度

表3.豎向部分和末梢的長(zhǎng)度(L_Tip/L_leg)

圖15顯示的是兩種適用于兩個(gè)不同電路板厚度的MIFA天線。設(shè)計(jì)人員根據(jù)特定的電路板厚度進(jìn)行調(diào)整MIFA天線的長(zhǎng)度時(shí),請(qǐng)參考表3。

倒F天線(IFA)

對(duì)于天線的尺寸有一定限制條件的應(yīng)用中(例如心率監(jiān)視器),推薦您選用這種IFA。圖16顯示所推薦的IFA的詳細(xì)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(duì)于厚度為1.6mm的FR4PCB,IFA的尺寸被設(shè)計(jì)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。

圖16.IFA布局

頂層(天線層)

饋電走線的寬度“W”受產(chǎn)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(yīng)的“W”值(相應(yīng)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(hào)接地平面使用(對(duì)于PRoC/PSoC和其他電路)。圖17將典型的雙層PCB的“PCB厚度”的概念與“F”值聯(lián)系起來(lái)。

表4.FR4PCB的“F”值:天線層與相鄰射頻的接地層間的厚度。

圖17.PCB厚度說(shuō)明

對(duì)于小于3mm的短走線,天線饋電厚度是可以調(diào)整的。天線饋電的厚度可以與天線走線厚度相同,請(qǐng)參見(jiàn)圖12。

IFA在220MHz的帶寬上(S11≤–10dB)的頻率約為2.44GHz,如圖18中所示。

圖18.IFA的S11(回波損耗=-S11)

圖19顯示的是IFA在XY平面上的定性輻射圖。在為客戶應(yīng)用設(shè)置IFA天線時(shí),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(guān)所有XY、YZ、ZX平面上詳細(xì)的輻射圖,請(qǐng)聯(lián)系賽普拉斯的技術(shù)支持。

圖19.IFA的定性2D輻射增益圖

芯片天線

對(duì)于PCB尺寸非常小的利基應(yīng)用(例如藍(lán)牙收發(fā)器),芯片天線不失為一種很好的辦法(圖20)。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(fèi)用。因?yàn)樗笥嗁?gòu)和裝配外部組件。通常,芯片天線的價(jià)格約為10-50美分,具體價(jià)格取決于尺寸和性能。

圖20.芯片天線

使用芯片天線時(shí),也應(yīng)考慮另一個(gè)關(guān)鍵因素:它受輻射接地面積的影響。所以,必須遵循廠家對(duì)接地面積的推薦。與PCB天線不同,芯片天線不能通過(guò)改變天線長(zhǎng)度來(lái)調(diào)整。另外需要一個(gè)匹配網(wǎng)絡(luò)才能調(diào)整該天線,因此會(huì)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(yīng)用中,例如:Nano藍(lán)牙收發(fā)器。對(duì)于這樣的應(yīng)用,賽普拉斯建議使用具有約翰森技術(shù)的2450AT18B100E芯片天線,其尺寸為63milx126mil。

而對(duì)于大部分應(yīng)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(jià),而且提供的性能非常卓越。圖21和圖22顯示的是具有約翰森技術(shù)的2450AT42B100E芯片天線布局指南。其尺寸為118milx196mil。更多有關(guān)這些天線的詳細(xì)指南,請(qǐng)參考它們相關(guān)的網(wǎng)址。

圖21.具有約翰森技術(shù)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(zhǔn)確的電路板厚度。

圖22.與產(chǎn)品網(wǎng)頁(yè)中相同的約翰森技術(shù)天線的布局指南。

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

芯片天線不一定是嚴(yán)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(guān)約翰森技術(shù)的芯片天線(2450AT42B100E)的常見(jiàn)輻射方向,請(qǐng)參見(jiàn)圖23。

圖23.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(yīng)用中,例如:Nano藍(lán)牙收發(fā)器或超小的模塊。對(duì)于這些應(yīng)用,賽普拉斯也建議使用含有約翰森技術(shù)的2450AT42B100E芯片天線,因?yàn)榕c2450AT18B100E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(shù)天線的內(nèi)容僅供參考。更多有關(guān)2.4GHz芯片天線的信息,請(qǐng)向各供應(yīng)商索取,如Murata、Vishay等。

對(duì)于大部分應(yīng)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(jià),但提供的性能非常卓越。

導(dǎo)線天線

導(dǎo)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(zhǎng)的回形針固定在PCB上面便構(gòu)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(hào)范圍和最等向的輻射方向圖。導(dǎo)線天線的無(wú)線覆蓋范圍可超過(guò)100英尺。

對(duì)于要求小外形天線的BLE應(yīng)用,不建議使用這種天線,因?yàn)樗鼤?huì)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(shí)現(xiàn)最佳的射頻范圍、方向性以及輻射方向圖等性能。

圖24.導(dǎo)線天線布局

導(dǎo)線天線具有最佳的射頻性能。與其他天線相比,導(dǎo)線天線的天線增益和輻射性能是最好的。請(qǐng)參考圖25,了解導(dǎo)線天線的定性輻射方向圖。

圖25.導(dǎo)線天線的定性輻射方向圖

各種天線的比較

請(qǐng)參考表5,快速為您的應(yīng)用選擇合適的天線。

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環(huán)境對(duì)天線性能的影響

通常消費(fèi)類產(chǎn)品中所使用的天線對(duì)PCB射頻接地層的大小和產(chǎn)品的塑料外殼非常敏感。可將天線模擬為一個(gè)LC諧振器,當(dāng)L(電感)或C(電容)增加時(shí),該LC諧振器的諧振頻率會(huì)下降。更大的射頻接地層和塑料外殼會(huì)增大有效電容,從而降低諧振頻率。

接地層的影響

賽普拉斯已經(jīng)廣泛地研究了射頻接地層的大小和附近塑料外殼對(duì)天線諧振頻率產(chǎn)生的影響。通過(guò)實(shí)驗(yàn)和測(cè)量證明,賽普拉斯可以確定天線的靈敏度并提供一個(gè)既簡(jiǎn)單強(qiáng)大,又有效的解決方法,以便調(diào)試天線。

要想評(píng)估天線對(duì)射頻接地層大小的靈敏度,可以通過(guò)在各種可能尺寸的PCB上安裝天線進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。圖26顯示的是MIFA被放置在接地層大小不同的PCB上的示例。PCB的尺寸范圍為20mm×20mm至50mm×50mm。

通過(guò)該曲線可以了解到,射頻接地層的面積越大,那么諧振頻率越低,并且接地層也越好,因此回波損耗也會(huì)越小。這便是好的PCB布局中的關(guān)鍵條件。

給四分之一波長(zhǎng)的天線提供的接地層越好,它與理論性能的關(guān)系也會(huì)越好。這是進(jìn)行天線設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵概念,可以解決沒(méi)有足夠空間提供給接地小型模塊天線的困難。

圖26.PCB

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塑料外殼的影響

同樣,為確定產(chǎn)品的塑料外殼對(duì)天線的影響,要使用一個(gè)無(wú)線鼠標(biāo)進(jìn)行實(shí)驗(yàn),如圖27所示。將賽普拉斯MIFA放置在無(wú)線鼠標(biāo)的塑料外殼中,然后測(cè)量該天線的諧振頻率。

通過(guò)圖26和圖27,可了解以下主要內(nèi)容:

§ 將天線放置在靠近塑料外殼的地方時(shí),諧振頻率會(huì)降低。

§ 諧振頻率的變化范圍為100MHz至200MHz。必須重新調(diào)試天線才能獲得所需頻帶。

總之,加大接地層大小和塑料外殼是為了使天線的諧振頻率降低到100MHz至200MHz的范圍內(nèi)。

產(chǎn)品外殼和接地層指南

§ 必須確保在天線末梢或天線長(zhǎng)度范圍附近不能有任何組件、固定螺釘或接地層。

§ 電池線或音頻線不能穿過(guò)天線或PCB上天線布線的同一側(cè)面。

§ 不能將金屬外殼完全覆蓋天線。如果產(chǎn)品外殼是金屬的或是一個(gè)保護(hù)罩,請(qǐng)不要將外殼完全覆蓋掉天線。

§ 天線的方向應(yīng)該符合最終產(chǎn)品的方向,這樣使天線在所需的方向上具有最大的輻射。

§ 應(yīng)該具有足夠的空間:接地層越大,MIFA、IFA、芯片天線和導(dǎo)線天線的S11參數(shù)值(回波損耗)會(huì)越高。

§ 天線正下方不應(yīng)該存在任何接地層。請(qǐng)參考圖14。這個(gè)設(shè)置適用于所有天線。

§ 從天線到接地層要有足夠的空間(間隙),該接地層的寬度應(yīng)該最小。請(qǐng)參考圖10、圖15和圖21。

天線調(diào)試

天線調(diào)試過(guò)程確保在所需頻帶中,天線的回波損耗(從芯片輸出的方向來(lái)看)大于10dB。同樣,對(duì)于芯片(Balun),要執(zhí)行相同的程序,用以確保在接受模式下,Balun的阻抗為50Ω。這時(shí)天線調(diào)試和Balun調(diào)試均被稱為天線調(diào)試。

圖28.調(diào)試和匹配網(wǎng)絡(luò)的參考圖

0Ω參考點(diǎn)被連接至具有一個(gè)端口網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)分析儀。進(jìn)行天線調(diào)試期間,通過(guò)移除Balun匹配組件可以斷開同芯片的連接。進(jìn)行Balun調(diào)試期間,會(huì)斷開同天線匹配組件的連接。

以下章節(jié)將詳細(xì)說(shuō)明如何使用網(wǎng)絡(luò)分析儀來(lái)調(diào)試天線。雖然這里僅顯示了一個(gè)Pioneer套件無(wú)線鼠標(biāo)的調(diào)試程序,不過(guò)該程序適用于所有天線調(diào)試。

調(diào)試過(guò)程

如前面所述,外殼和接地層的影響使天線所需的頻帶失調(diào),并且影響了回波損耗。因此,天線調(diào)試過(guò)程包括兩個(gè)步驟:首先,將PCB空板調(diào)試為所需頻帶;然后在確定ID后,通過(guò)塑料外殼和人體接觸檢查調(diào)試。

使用網(wǎng)絡(luò)分析儀來(lái)檢查天線調(diào)試。在第一個(gè)步驟中,先校準(zhǔn)該網(wǎng)絡(luò)分析儀,然后通過(guò)調(diào)整匹配網(wǎng)絡(luò)組件和驗(yàn)證Smith圖表中的調(diào)試進(jìn)行天線調(diào)試。

調(diào)試過(guò)程中會(huì)使用:

§ 安捷倫(Agilent)8714ES網(wǎng)絡(luò)分析儀(已校準(zhǔn))

§ Pioneer套件鼠標(biāo)(如DUT)

§ 電氣延遲時(shí)間為350ps的半剛性電纜

§ 質(zhì)量的射頻組件目錄(Johanson套件P/N:L402DC)

調(diào)試過(guò)程主要步驟為:

1.準(zhǔn)備ID

2.設(shè)置并校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)分析儀

3.PCB空板調(diào)試。如同圖中所示,標(biāo)志1、2和3的回波損耗大于15db。

4.使用塑料和人體接觸來(lái)調(diào)整調(diào)試

準(zhǔn)備ID

該步驟非常重要,因?yàn)橥S線纜的放置情況會(huì)使s11的變化值為3dB。盡量使同軸線纜屏蔽的接地連接靠近傳輸線返回路徑。請(qǐng)執(zhí)行以下操作:

1.打開塑料外殼,去掉電池或斷開供電電源。

2.使同軸線纜接近芯片的射頻輸出引腳。斷開芯片連接。否則,不僅僅是天線,就連Balun也會(huì)連接到同軸線纜。請(qǐng)參見(jiàn)圖29。

3.請(qǐng)確保,有一個(gè)裸露接地層靠近同軸線纜頭。將線纜的屏蔽或外殼接地。將該屏蔽/外殼接地時(shí),盡量縮短它與地面間的距離。該距離越小,調(diào)試準(zhǔn)確度就越高。根據(jù)同軸線纜接地的位置,回波損耗測(cè)量的差值可為3dB。

4.將一個(gè)10pF的電容從50Ω參考點(diǎn)的第一個(gè)焊盤連接至天線末梢。要在同軸線纜和天線之間始終連接一個(gè)電容。這樣能夠阻止網(wǎng)絡(luò)分析儀的直流電。

圖29.同軸線纜的連接點(diǎn)

設(shè)置并校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)分析儀

1.使用3.5mm校準(zhǔn)套件進(jìn)行校準(zhǔn)。接下來(lái),將網(wǎng)絡(luò)分析儀的校準(zhǔn)套件設(shè)置為3.5mm后,按下Agilent8714ES上的cal(校準(zhǔn))按鍵。您也可以使用其他校準(zhǔn)套件,如N型校準(zhǔn)套件。

2.按下頻率按鍵,分別將啟動(dòng)頻率和停止頻率設(shè)置為2GHz和3GHz,將格式設(shè)為Smith圖表。

3.按下marker(標(biāo)記)按鍵,將各標(biāo)記的頻率分別設(shè)為2.402GHz、2.44GHz和2.48GHz。

4.按下cal(校準(zhǔn))按鍵,選擇網(wǎng)絡(luò)分析儀上的S11并將其設(shè)為用戶1端口校準(zhǔn)。

5.要求連接“open”加載時(shí),請(qǐng)連接“open”加載,并按下measurestandard。

6.連接“Short”加載,并按下measurestandard。

7.連接至“broadband”加載,并按下measurestandard。然后網(wǎng)絡(luò)分析儀會(huì)計(jì)算系數(shù),并將50Ω加載顯示為Smith圖表上明確標(biāo)記為50,0的參考點(diǎn)。

8.通過(guò)按下‘scale’按鍵并正確設(shè)置電氣延遲,可調(diào)試同軸線纜和設(shè)置電氣延遲。

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調(diào)試PCB空板

想要調(diào)試PCB空板,先要確定天線的阻抗,然后根據(jù)匹配網(wǎng)絡(luò)組件,在所需頻帶內(nèi)使回波損耗低于10db。

1.將一個(gè)8.2pF大小的電容與天線串聯(lián)起來(lái)。在所需頻帶內(nèi),該電容的阻抗為0Ω。該阻抗便是天線阻抗。天線的阻抗等于(100.36–j34.82),如Smith圖表中紅色圓圈所示。

圖30.僅針對(duì)天線的Smith圖表

2.確定天線的阻抗后,通過(guò)執(zhí)行阻抗轉(zhuǎn)換使用拓?fù)涫固炀€阻抗變?yōu)?0Ω。賽普拉斯MIFA或IFA的大部分匹配網(wǎng)絡(luò)(圖31所示)是由兩個(gè)組件構(gòu)成的。

圖31.匹配網(wǎng)絡(luò)

可以使用標(biāo)準(zhǔn)的開源工具(如Bern研究院的SmithV3.10)對(duì)匹配網(wǎng)絡(luò)組件進(jìn)行仿真。通過(guò)將0.45pF的并聯(lián)電容和3.6nH的串聯(lián)電感連接到天線,可以將天線阻抗轉(zhuǎn)換為50Ω,,從而能夠在所需的頻帶中去除虛擬部分。由于準(zhǔn)確值不可用,因此我們要選擇一個(gè)0.5pF的并聯(lián)電容和一個(gè)3.6nH的串聯(lián)電感。

圖32.在Smith圖表中轉(zhuǎn)換為50Ω

以下顯示的是匹配網(wǎng)絡(luò)的最終原理圖。ZL表示阻抗為0歐姆時(shí)天線的阻抗。Zin指的是輸出阻抗為50歐姆時(shí)網(wǎng)絡(luò)分析儀觀察到的阻抗。

圖33.理論匹配網(wǎng)絡(luò)

仿真軟件有助于了解組件值。但實(shí)際組件值與仿真值的差別很大。出現(xiàn)這種情況是因?yàn)轭l率為2.4GHz時(shí),電容的走線間電感、焊盤的寄生加載以及接地返回路徑構(gòu)建了一個(gè)附加的寄生回路,從而完全改變了Smith圖表。對(duì)于該應(yīng)用,需要選擇一個(gè)0.7pF的電容和一個(gè)1.2pF的串聯(lián)電容,以得到諧振。

圖34.實(shí)際的匹配網(wǎng)絡(luò)

下面是該操作的簡(jiǎn)要說(shuō)明。天線阻抗來(lái)自假定阻抗為0歐姆的8.2pF電容器。此外,該圖也顯示了頻率為2.4Ghz時(shí)走線間電感的寄生電容。接地返回路徑緊挨著該天線。但由于使用了匹配組件,接地返回路徑將有額外的寄生電容。

這樣天線的電感會(huì)很大,所以要添加幾個(gè)電容器以調(diào)整該電感。這是調(diào)整天線時(shí)遇到的典型問(wèn)題。理論與實(shí)踐間存在著明顯的差別。用戶可添加一個(gè)電容器,但請(qǐng)注意,如果添加某個(gè)電感,Smith圖會(huì)向一定的方向移動(dòng)。圖35顯示的是使用實(shí)際組件的最終Smith圖表。

圖35.使用實(shí)際組件的Smith圖表

圖中也顯示了頻率分別為2402MHz、2440MHz和2480MHz的標(biāo)志1、2和3接近Smith圖表上的(50,0)點(diǎn)。顯示的是一個(gè)良好的匹配。

下面制圖顯示了組件值的回?fù)軗p耗。大于15db的回波損耗符合我們的應(yīng)用。

如同圖中所示,標(biāo)志1、2和3的回波損耗大于15db。

使用塑料和人體接觸來(lái)調(diào)整調(diào)試

PCB的塑料外殼更改了天線調(diào)整。所有天線均受到近場(chǎng)或遠(yuǎn)場(chǎng)物體的影響。如果是一個(gè)窄帶天線,它受近場(chǎng)物體的影響幾率非常大。

塑料外殼和附近移動(dòng)的電池線纜可使天線完全失調(diào),并且在2.402G到2.482G的優(yōu)選頻帶內(nèi)它的回波損耗會(huì)低于10db。因此,調(diào)試PCB空板后,需要使PCB保持在塑料外殼內(nèi),并使用鼠標(biāo)重新檢測(cè)調(diào)試。這樣操作很復(fù)雜,尤其是還要將同軸電纜引出塑料裝配外。

通過(guò)在ID內(nèi)鉆出一小孔,可以將該同軸電纜引出去。最后使用塑料外殼或?qū)⒁恢皇址旁谒芰贤鈿ど厦?如同用戶使用鼠標(biāo)時(shí))進(jìn)行檢查調(diào)試效果。所觀察到的回波損耗的影響最小。

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總結(jié)

本應(yīng)用筆記簡(jiǎn)單介紹了如何使用PRoCBLE/PSoCBLE輕松設(shè)計(jì)自定義產(chǎn)品的最佳天線。同時(shí)也提供了針對(duì)不同天線類型所需要的天線布局指南。

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