天線設(shè)計的主要知識點(diǎn)

這份指南用簡單的術(shù)語解釋了天線設(shè)計，并提供了射頻組件選擇、匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計和布局設(shè)計的指南。本應(yīng)用筆記還推薦了兩種經(jīng)過賽普拉斯測試的 PCB 天線，它們可以以非常低的成本實(shí)現(xiàn)，用于與賽普拉斯 PSoC 和 PRoC 系列中的低功耗藍(lán)牙 (BLE) 解決方案一起使用。PRoC BLE、PSoC 4 BLE 和 PSoC 6 BLE 2.4-GHz 無線電必須與其天線仔細(xì)匹配，以獲得最佳性能。

我們一起簡單瀏覽一遍該指南的主要知識點(diǎn)。

天線設(shè)計和射頻布局是無線系統(tǒng)中的關(guān)鍵組件，它負(fù)責(zé)發(fā)送和接收來自空中的電磁輻射。終端客戶從某個 RF 產(chǎn)品 (如電量有限的硬幣型電池) 獲得的無線射程主要取決于天線的設(shè)計、外殼以及良好的 PCB 布局。對于芯片和電源相同但布局和天線設(shè)計實(shí)踐不同的系統(tǒng)，它們的 RF (射頻) 范圍有較大變化也是正常的。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。射頻跟蹤、電源解耦、通路孔、PCB 層疊、以及天線與接地的總體布局注意事項(xiàng)也進(jìn)行了討論。應(yīng)用筆記也詳細(xì)介紹了射頻無源器件 (如電感器和電容器) 的選擇。每個主題以提示或與主題相關(guān)的設(shè)計項(xiàng)目的檢查表結(jié)尾。

Figure 1 示出了在發(fā)射機(jī) (TX) 和接收機(jī) (RX) 上的無線系統(tǒng)的關(guān)鍵部件。

設(shè)計優(yōu)良的天線可以擴(kuò)大無線產(chǎn)品的工作范圍。從無線模塊發(fā)送的能量越大，在已給的數(shù)據(jù)包錯誤率 (PER) 以及接收器靈敏度固定的條件下，傳輸?shù)木嚯x也越大。類似地，接收器側(cè)的調(diào)諧良好的無線電可以在天線上在極小的輻射條件下工作。RF 布局連同無線匹配網(wǎng)絡(luò)需要被正確設(shè)計，以確保大部分來自射頻的功率到達(dá)天線，反之亦然。

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)體的長度與信號波長1成特定比例或整數(shù)倍時，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”。

如 Figure 2 所示，導(dǎo)體的波長為Lambda/2，其中Lambda為電信號的波長。信號發(fā)生器通過一根傳輸線 (也稱為天線饋電) 在天線的中心點(diǎn)為其供電。按照這個長度，將在整個導(dǎo)線上形成電壓和電流駐波，如 Figure 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 50 Ω，并且輻射到特性阻抗為 377 Ω 的空間中。因此，對于天線的幾何形狀，有兩個非常重要的事項(xiàng)需要注意：1. 天線長度2. 天線饋電長度為Lambda/2 的天線 (如 Figure 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)體長度僅為Lambda/4，但仍具有相同的性能。請參見 Figure 3。通過在導(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)體長度相同的鏡像 (Lambda/4)。被組合在一起時，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 (Lambda/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的尺寸實(shí)現(xiàn)。請注意，該信號現(xiàn)在是單端饋電，同時接地層作為返回路徑使用.。

對于大多數(shù) PCB 中使用的四分之一波長天線，需要特別注意：1. 天線長度2. 天線饋電3. 接地層和回流路徑的形狀和尺寸。

天線類型

如前部分所述，在自由空間中裸露的波長為Lambda/4 的所有導(dǎo)體被放在一個接地層上，并為其提供合適的電壓，那么該導(dǎo)體可以作為一個天線使用。根據(jù)不同的波長，天線可能與汽車的 FM 天線一樣長，也可能與信號浮標(biāo)上的走線一樣短。對于 2.4 GHz 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 上延長到自由空間中的一段導(dǎo)線，它的長度為Lambda/4，并被放置在接地層上。這種天線是由50-Ω 阻抗的傳輸線供電的。通常，由于尺寸和三個維度的暴露，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。它是一個三維 (3D) 的結(jié)構(gòu)，其中天線高出 PCB 4-5mm，并伸出到空間內(nèi)。

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、或基于天線類型和空間限制的擺動曲線等。在一個 PCB 天線中，天線在 PCB 的同一平面上變成二維 (2D) 結(jié)構(gòu);見 Figure 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，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，并且容易制造和可以給 BLE 應(yīng)用提供可接受的無線距離。

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)印刷 PCB 天線的空間有限或支持 3D 導(dǎo)線天線時，這非常有用。請參閱 Figure 6 了解包含芯片天線的藍(lán)牙模塊。下面給出了天線和模塊的大小與1 美分硬幣的比較。

天線的選型

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 (比如無線鼠標(biāo)) 只需要 10 英尺的輻射范圍和幾 kbps 的數(shù)據(jù)速率。然而，對于采用語音識別的遙控應(yīng)用，則需要一個室內(nèi)設(shè)置天線，該天線的輻射范圍大概為 20 英尺，并且其數(shù)據(jù)速率為 64 kbps。

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 50 ?的傳輸線 (TL) 實(shí)現(xiàn)匹配，將其顯示為 Figure 7 中的信號饋送。通常，這個 TL 的阻抗值為 50 Ω，但也可以是其他數(shù)值。對于工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，商業(yè)天線和它的測試設(shè)備的電阻為50 Ω，因此建議您最好使用該值。回波損耗顯示：由于不匹配，天線反射的入射功率大小 (公式 1)。一個理想的天線會發(fā)射全部功率，不會產(chǎn)生任何反射。如果該回波損耗是無限的，則認(rèn)為天線與 TL 完全匹配，如 Figure 7 所示。S11是回波損耗的倒數(shù)，其單位為 dB。大多數(shù)情況下，如果回波損耗 ≥ 10 dB (即 S11 ≤ –10 dB)，便足夠大。Table 1 顯示了天線的回波損耗 (dB) 與反射功率 (%)?；夭〒p耗為 10 dB 時，表示 90%的入射功率被傳給天線以進(jìn)行發(fā)射。

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

如 Figure 8 所示，在 2.33 GHz 至 2.55 GHz 的帶寬上，回波損耗大于 10 dB。因此，采用的帶寬為 200 MHz 左右。在大多數(shù)情況下，更寬的帶寬是首選，因?yàn)樗梢宰畲笙薅鹊販p少產(chǎn)品在實(shí)際使用中天線周圍環(huán)境變化引起的失諧效應(yīng) (例如放置在木材/金屬/塑料桌上的鼠標(biāo)，鼠標(biāo)周圍的手等)。)

輻射效率：指的是非反射功耗中的一部分 (請參見 Figure 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，全部非反射的功耗都被發(fā)射到空間內(nèi)。對于小型的 PCB 外形因素，熱耗最小。

輻射圖型：該圖型表示輻射的方向性，即表示在哪個方向上的輻射更大，哪個方向上的輻射更小。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)不到這個理想的性能。欲了解詳細(xì)說明，請參看 Figure 9 中所示的 PCB 天線的輻射圖。每個數(shù)據(jù)點(diǎn)都代表 RF 場強(qiáng)，可以通過接收器中用于接收信號強(qiáng)度的指示器 (RSSI) 進(jìn)行測量。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。

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)行對比的信息。增益單位為“dBi”，即表示在與一個理想的無方向性天線進(jìn)行對比時輻射的場強(qiáng)。

天線介紹圖示

各種天線的比較

接地層的影響

外殼的影響

天線放置、外殼、和接地層指南

始終將天線放置在 PCB 的一個角落，與電路的其余部分保持足夠的間隙。

始終遵循天線設(shè)計者/制造商推薦的天線接地方式。常用的 PCB 天線是單極天線的變體。單極天線需要直接接地才能正常工作。

切勿在所有層的天線禁區(qū)內(nèi)放置任何組件、平面、安裝螺絲或跡線。實(shí)際的禁用區(qū)域取決于使用的天線。

不要將天線靠近工業(yè)設(shè)計中的塑料。塑料具有比空氣更高的介電常數(shù)。塑料與天線的接近度導(dǎo)致天線看到更高的有效介電常數(shù)。這增加了天線跡線的電長度并降低了諧振頻率。

電池電纜或麥克風(fēng)線纜不得穿過天線跡線。

天線不能完全被金屬外殼覆蓋。如果產(chǎn)品具有金屬外殼或屏蔽層，則外殼不得覆蓋天線。天線近場不允許有金屬。

天線的方向應(yīng)與最終產(chǎn)品方向一致，以便輻射在所需方向上達(dá)到最大。

天線下方不得有任何接地。

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。

計劃為天線匹配網(wǎng)絡(luò)提供配置，因?yàn)樘炀€接近的許多參數(shù) (塑料，接地變化，基底差異和其他組件) 可能會改變其阻抗，因此天線可能需要重新調(diào)諧。如果天線的阻抗未知，則最好為三個組件的 PI 或 T 網(wǎng)絡(luò)提供配置，其中串聯(lián)元件中填充 0 歐姆，分流元件不加載。這有助于您稍后填充匹配網(wǎng)絡(luò)所需的任何拓?fù)洹?/p>

使用天線制造商提供的匹配網(wǎng)絡(luò)值時，請確保使用從天線到匹配網(wǎng)絡(luò)的走線長度，這在制造商數(shù)據(jù)手冊或參考設(shè)計中指定。

始終使用最終的塑料外殼和典型的使用案例場景中的產(chǎn)品驗(yàn)證天線匹配網(wǎng)絡(luò)，例如，驗(yàn)證一只鼠標(biāo)的塑料放在手上，放在鼠標(biāo)墊、塑料、木材、金屬或地板上。