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本文章使用簡(jiǎn)單的術(shù)語(yǔ)介紹了天線(xiàn)的設計情況，并推薦了兩款經(jīng)過(guò)賽普拉斯測試的低成本PCB天線(xiàn)。這些PCB天線(xiàn)能夠與賽普拉斯PRoC?和PSoC?系列中的低功耗藍牙(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(xiàn)正確匹配。本應用筆記中最后部分介紹了如何在最終產(chǎn)品中調試天線(xiàn)。 簡(jiǎn)介 天線(xiàn)是無(wú)線(xiàn)系統中的關(guān)鍵組件，它負責發(fā)送和接收來(lái)自空中的電磁輻射。為低成本、消費廣的應用設計天線(xiàn)，并將其集成到手提產(chǎn)品中是大多數原裝設備制造商(OEM)正在面對的挑戰。終端客戶(hù)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(xiàn)射程主要取決于天線(xiàn)的設計、塑料外殼以及良好的PCB布局。 對于芯片和電源相同但布局和天線(xiàn)設計實(shí)踐不同的系統，它們的RF(射頻)范圍變化超過(guò)50%也是正常的。本應用筆記介紹了最佳實(shí)踐、布局指南以及天線(xiàn)調試程序，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(xiàn)系統 設計優(yōu)良的天線(xiàn)可以擴大無(wú)線(xiàn)產(chǎn)品的工作范圍。從無(wú)線(xiàn)模塊發(fā)送的能量越大，在已給的數據包錯誤率(PER)以及接收器靈敏度固定的條件下，傳輸的距離也越大。另外，天線(xiàn)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，設計優(yōu)良的天線(xiàn)能夠發(fā)射更多的能量，從而可以提高錯誤容限化(由干擾或噪聲引起的)。同樣，接收端良好的調試天線(xiàn)和Balun(平衡器)可以在極小的輻射條件下工作。 最佳天線(xiàn)可以降低PER，并提高通信質(zhì)量。PER越低，發(fā)生重新傳輸的次數也越少，從而可以節省電池電量。 天線(xiàn)原理 天線(xiàn)一般指的是裸露在空間內的導體。該導體的長(cháng)度與信號波長(cháng)成特定比例或整數倍時(shí)，它可作為天線(xiàn)使用。因為提供給天線(xiàn)的電能被發(fā)射到空間內，所以該條件被稱(chēng)為“諧振”。 圖2. 偶極天線(xiàn)基礎 如圖2所示，導體的波長(cháng)為λ/2，其中λ為電信號的波長(cháng)。信號發(fā)生器通過(guò)一根傳輸線(xiàn)(也稱(chēng)為天線(xiàn)饋電)在天線(xiàn)的中心點(diǎn)為其供電。按照這個(gè)長(cháng)度，將在整個(gè)導線(xiàn)上形成電壓和電流駐波，如圖2所示。 輸入到天線(xiàn)的電能被轉換為電磁輻射，并以相應的頻率輻射到空中。該天線(xiàn)由天線(xiàn)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，對于天線(xiàn)的幾何形狀，有兩個(gè)非常重要的事項需要注意： 1.天線(xiàn)長(cháng)度 2.天線(xiàn)饋電 長(cháng)度為λ/2的天線(xiàn)(如圖2所示)被稱(chēng)為偶極天線(xiàn)。但在印刷電路板中，大多作為天線(xiàn)使用的導體長(cháng)度僅為λ/4，但仍具有相同的性能。請參見(jiàn)圖3。 通過(guò)在導體下方一定距離的位置上放置接地層，可以創(chuàng )建與導體長(cháng)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(xiàn)使用。這種天線(xiàn)被稱(chēng)為四分之一波長(cháng)(λ/4)天線(xiàn)。PCB上幾乎所有的天線(xiàn)都按銅制接地層上四分之一波長(cháng)的尺寸實(shí)現。請注意，該信號現在是單端饋電，同時(shí)接地層作為返回路徑使用。 圖3. 四分之一波長(cháng)天線(xiàn) 對于大多數PCB中使用的四分之一波長(cháng)天線(xiàn)，需要特別注意： 1. 天線(xiàn)長(cháng)度 2. 天線(xiàn)饋電 3. 接地層和回流路徑的形狀和尺寸 天線(xiàn)類(lèi)型 如前部分所述，在自由空間中裸露的波長(cháng)為λ/4的所有導體被放在一個(gè)接地層上，并為其提供合適的電壓，那么該導體可以作為一個(gè)天線(xiàn)使用。根據不同的波長(cháng)，天線(xiàn)可能與汽車(chē)的FM天線(xiàn)一樣長(cháng)，也可能與信號浮標上的走線(xiàn)一樣短。對于2.4GHz的應用，大部分PCB天線(xiàn)都屬于下面的類(lèi)型： 1.導線(xiàn)天線(xiàn)：這是在PCB上延長(cháng)到自由空間中的一段導線(xiàn)，它的長(cháng)度為λ/4，并被放置在接地層上。這種天線(xiàn)是由50Ω阻抗的傳輸線(xiàn)供電的。通常，該導線(xiàn)天線(xiàn)提供的性能和輻射范圍最好。該導線(xiàn)可以是直線(xiàn)、螺旋或是回路的。它是一個(gè)三維(3D)的結構，其中天線(xiàn)高出PCB4-5mm，并伸出到空間內。 圖4.導線(xiàn)天線(xiàn) 2. PCB天線(xiàn)：它是PCB上的一根PCB走線(xiàn)，并且可以將其畫(huà)成直線(xiàn)形走線(xiàn)、反轉的F形走線(xiàn)、蛇形或圓形走線(xiàn)等。在一個(gè)PCB天線(xiàn)中，與導線(xiàn)天線(xiàn)不同的是，該天線(xiàn)沒(méi)有被露到外部空間內，而是在同一個(gè)PCB層上以二維(2D)結構形式存在;請參見(jiàn)圖5。 當裸露到空間外的3D天線(xiàn)被放置到PCB層上作為2D的PCB走線(xiàn)時(shí)，必須遵循一定的指南。一般情況下，與導線(xiàn)天線(xiàn)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應用提供可接收的無(wú)線(xiàn)距離。 圖5. PCB天線(xiàn) 3.芯片天線(xiàn)：這是一種帶有導體的天線(xiàn)，天線(xiàn)和導體都被組裝在小型的IC封裝中。當天線(xiàn)被封裝在很小的尺寸內時(shí)，它會(huì )變得很有優(yōu)勢。天線(xiàn)USB的納米收發(fā)器等應用會(huì )使用這種天線(xiàn)，當PCB上沒(méi)有足夠的空間來(lái)布局PCB天線(xiàn)時(shí)。有關(guān)芯片天線(xiàn)的信息，請參見(jiàn)下圖。想要了解各種天線(xiàn)的尺寸對比，請參見(jiàn)表4。 圖6.芯片天線(xiàn) 天線(xiàn)的選擇 天線(xiàn)的選擇取決于其應用、可用電路板的尺寸、成本、輻射范圍以及方向性等因素。 藍牙低功耗(BLE)應用(比如無(wú)線(xiàn)鼠標)只需要10英寸的輻射范圍和幾kbps的數據速率。然而，對于采用語(yǔ)音識別的遙控應用，則需要一個(gè)室內設置天線(xiàn)，該天線(xiàn)的輻射范圍大概為10-15英寸，并且其數據速率為64kbps。 對于無(wú)線(xiàn)音頻應用，需要分集天線(xiàn)。分集天線(xiàn)是指：將兩根天線(xiàn)放置在同一個(gè)PCB上，這樣可以保證最少有一根天線(xiàn)始終能夠接收某些輻射，而另一根天線(xiàn)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)音頻數據并需要較高的吞吐量而不會(huì )丟失數據包的情況下，需要用到分集天線(xiàn)。也可以將它用在信標應用中，進(jìn)行室內定位。 天線(xiàn)參數 下面部分提供了天線(xiàn)性能的某些關(guān)鍵參數。 § 回波損耗：天線(xiàn)的回波損耗表示天線(xiàn)如何與阻抗為50Ω的傳輸線(xiàn)(TL)實(shí)現匹配，將其顯示為圖7中的信號饋送。通常，這個(gè)TL的阻抗值為50Ω，但也可以是其他數值。對于工業(yè)標準，商業(yè)天線(xiàn)和它的測試設備的電阻為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(xiàn)反射的入射功率大小(公式1)。一個(gè)理想的天線(xiàn)會(huì )發(fā)射全部功率，不會(huì )產(chǎn)生任何反射。 如果該回波損耗是無(wú)限的，則認為天線(xiàn)與TL完全匹配，如圖7所示。S11是回波損耗的倒數，其單位為dB。根據經(jīng)驗估計，如果回波損耗≥10dB(既S11≤–10dB)，便足夠大。表1顯示了天線(xiàn)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(xiàn)以進(jìn)行發(fā)射。 圖7.回波損耗 表1.天線(xiàn)的回波損耗及反射功率 § 帶寬：是指天線(xiàn)的頻率響應。它表示在采用的整個(gè)頻帶上，即在BLE應用的2.40GHz至2.48GHz的范圍內，該天線(xiàn)與50Ω的傳輸線(xiàn)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(請參見(jiàn)圖7)被消耗為天線(xiàn)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(xiàn)中的導體損耗造成的。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。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(gè)方向上的輻射更大，哪個(gè)方向上的輻射更小。這有助于在應用中準確地確定天線(xiàn)的方向。 無(wú)方向性天線(xiàn)可以按與軸線(xiàn)相垂直的平面上所有方向進(jìn)行等效發(fā)射。但大多數天線(xiàn)都達不到這個(gè)理想的性能。欲了解詳細說(shuō)明，請參看圖9中所示的PCB天線(xiàn)的輻射圖。每個(gè)數據點(diǎn)都代表RF場(chǎng)強，可以通過(guò)接收器中用于接收信號強度的指示器(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，因為該天線(xiàn)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(xiàn)(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(gè)理想的無(wú)方向性天線(xiàn)進(jìn)行對比時(shí)輻射的場(chǎng)強。 賽普拉斯PRoC/PSoCBLE的天線(xiàn) 設計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(xiàn)，并且最多只能使用兩個(gè)外部組件進(jìn)行調整。調試過(guò)程需要確保在某個(gè)頻帶內進(jìn)行傳輸時(shí)應盡可能保持傳入天線(xiàn)的能量。這便意味著(zhù)，所需帶段中的回波損耗要大于10dB。當天線(xiàn)的輸入阻抗為50Ω，并且芯片輸出阻抗為50Ω時(shí)，天線(xiàn)收到的能量最大。天線(xiàn)作為接收端時(shí)，也要滿(mǎn)足上述條件。對于天線(xiàn)來(lái)說(shuō)，它的調整過(guò)程能夠確保天線(xiàn)的阻抗等于50Ω。對于芯片來(lái)說(shuō)，Balun(平衡器)調整過(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)組件對其進(jìn)行調整。對于射頻范圍較小的低數據速率應用，賽普拉斯所推薦的PCB天線(xiàn)不需要通過(guò)任何組件來(lái)調整天線(xiàn)。 對于高數據速率的應用(如通過(guò)遙控器的聲音識別應用)，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)用于平衡器調整，其余兩個(gè)用于天線(xiàn)調整�？墒褂闷渲袃蓚�(gè)進(jìn)行調整過(guò)程，剩下的兩個(gè)保持待用狀態(tài)。 此外，賽普拉斯PRoC/PSoC還提供了不同的應用，如室內定位、智能家居、智能電器以及傳感器集線(xiàn)器。這些應用可能不受空間的限制，因此，可以針對射頻范圍和射頻方向圖等因素為這些應用設計更好的天線(xiàn)。導線(xiàn)天線(xiàn)非常適合非穿戴式但位置固定的應用。 很多應用直接在其主PCB中嵌入了賽普拉斯的該類(lèi)模塊，用以實(shí)現無(wú)線(xiàn)連接。這些應用要求通過(guò)FCC的低成本小型模塊。這時(shí)可以使用滿(mǎn)足這些要求的芯片天線(xiàn)。 雖然使用2.4GHz頻段的應用很多，但大多數BLE應用僅使用了下面介紹的雙PCB天線(xiàn)。賽普拉斯推薦使用兩種專(zhuān)有的PCB天線(xiàn)、蛇形倒F天線(xiàn)(MIFA)和倒F形天線(xiàn)(IFA)，它們是針對BLE應用而特性化和廣泛模擬的天線(xiàn)。特別是MIFA，可將它用于幾乎所有的BLE應用中。 但您也可以從本文檔中選出任何一款符合您的應用要求的天線(xiàn)。 賽普拉斯專(zhuān)有的PCB天線(xiàn) 賽普拉斯推薦使用IFA和MIFA這兩種PCB天線(xiàn)。BLE應用中的低速率和典型的輻射圍范使這兩種天線(xiàn)特別有用。這些天線(xiàn)既便宜又容易設計，這是因為它們是PCB的組成部分，并且能夠在150至250MHz的頻段范圍內提供良好的性能。 建議將MIFA天線(xiàn)使用在僅需極小的PCB空間的應用中，如無(wú)線(xiàn)鼠標、鍵盤(pán)、演示機等等。對于IFA天線(xiàn)，建議將其應用在要求天線(xiàn)一側的尺寸遠小于另一側的尺寸的應用中，如心率監視器。大多數BLE應用中使用的是MIFA天線(xiàn)。下面各節將詳細介紹每種天線(xiàn)的信息。 蛇形倒F天線(xiàn)(MIFA) MIFA是一種普通的天線(xiàn)，被廣泛地使用在各個(gè)人機接口設備(HID)中，因為它占用的PCB空間較小。因此賽普拉斯已設計出一種結實(shí)的MIFA天線(xiàn)，而它能在較小的波形系數中提供優(yōu)越的性能。該天線(xiàn)的尺寸為7.2mm×11.1mm(相當于284密耳×437密耳)，因此它很適合于各種HID的應用，例如無(wú)線(xiàn)鼠標、鍵盤(pán)或演示機等。圖10顯示的是所推薦的MIFA天線(xiàn)的詳細布局，其中包含了雙層PCB的頂層和底層。這種天線(xiàn)的跡線(xiàn)寬度均為20密耳�！癢”的值是可改變的主要參數，它取決于PCB堆棧間隔，它表示RF走線(xiàn)(傳輸線(xiàn))的寬度。 圖10.MIFA布局 頂層(天線(xiàn)層) 底層(RF接地層) 注意：有關(guān)用于1.6mm厚的FR4PCB上MIFA天線(xiàn)的Gerber和.brd文檔，請訪(fǎng)問(wèn)網(wǎng)址www.cypress.com/go/AN91445上的AN91445.zip文檔。 |
