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環(huán)境對天線(xiàn)性能的影響 通常消費類(lèi)產(chǎn)品中所使用的天線(xiàn)對PCB射頻接地層的大小和產(chǎn)品的塑料外殼非常敏感�？蓪⑻炀�(xiàn)模擬為一個(gè)LC諧振器，當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天線(xiàn)諧振頻率產(chǎn)生的影響。通過(guò)實(shí)驗和測量證明，賽普拉斯可以確定天線(xiàn)的靈敏度并提供一個(gè)既簡(jiǎn)單強大，又有效的解決方法，以便調試天線(xiàn)。 要想評估天線(xiàn)對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(xiàn)進(jìn)行實(shí)驗。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(xiàn)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(cháng)的天線(xiàn)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(xiàn)設計中的關(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(xiàn)的困難。 圖26.PCB 塑料外殼的影響 同樣，為確定產(chǎn)品的塑料外殼對天線(xiàn)的影響，要使用一個(gè)無(wú)線(xiàn)鼠標進(jìn)行實(shí)驗，如圖27所示。將賽普拉斯MIFA放置在無(wú)線(xiàn)鼠標的塑料外殼中，然后測量該天線(xiàn)的諧振頻率。 圖27.塑料外殼的影響 通過(guò)圖26和圖27，可了解以下主要內容： § 將天線(xiàn)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。必須重新調試天線(xiàn)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(xiàn)的諧振頻率降低到100MHz至200MHz的范圍內。 產(chǎn)品外殼和接地層指南 § 必須確保在天線(xiàn)末梢或天線(xiàn)長(cháng)度范圍附近不能有任何組件、固定螺釘或接地層。 § 電池線(xiàn)或音頻線(xiàn)不能穿過(guò)天線(xiàn)或PCB上天線(xiàn)布線(xiàn)的同一側面。 § 不能將金屬外殼完全覆蓋天線(xiàn)。如果產(chǎn)品外殼是金屬的或是一個(gè)保護罩，請不要將外殼完全覆蓋掉天線(xiàn)。 § 天線(xiàn)的方向應該符合最終產(chǎn)品的方向，這樣使天線(xiàn)在所需的方向上具有最大的輻射。 § 應該具有足夠的空間：接地層越大，MIFA、IFA、芯片天線(xiàn)和導線(xiàn)天線(xiàn)的S11參數值(回波損耗)會(huì )越高。 § 天線(xiàn)正下方不應該存在任何接地層。請參考圖14。這個(gè)設置適用于所有天線(xiàn)。 § 從天線(xiàn)到接地層要有足夠的空間(間隙)，該接地層的寬度應該最小。請參考圖10、圖15和圖21。 天線(xiàn)調試 天線(xiàn)調試過(guò)程確保在所需頻帶中，天線(xiàn)的回波損耗(從芯片輸出的方向來(lái)看)大于10dB。同樣，對于芯片(Balun)，要執行相同的程序，用以確保在接受模式下，Balun的阻抗為50Ω。這時(shí)天線(xiàn)調試和Balun調試均被稱(chēng)為天線(xiàn)調試。 圖28.調試和匹配網(wǎng)絡(luò )的參考圖 50Ω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(xiàn)調試期間，通過(guò)移除Balun匹配組件可以斷開(kāi)同芯片的連接。進(jìn)行Balun調試期間，會(huì )斷開(kāi)同天線(xiàn)匹配組件的連接。 以下章節將詳細說(shuō)明如何使用網(wǎng)絡(luò )分析儀來(lái)調試天線(xiàn)。雖然這里僅顯示了一個(gè)Pioneer套件無(wú)線(xiàn)鼠標的調試程序，不過(guò)該程序適用于所有天線(xiàn)調試。 調試過(guò)程 如前面所述，外殼和接地層的影響使天線(xiàn)所需的頻帶失調，并且影響了回波損耗。因此，天線(xiàn)調試過(guò)程包括兩個(gè)步驟：首先，將PCB空板調試為所需頻帶;然后在確定ID后，通過(guò)塑料外殼和人體接觸檢查調試。 使用網(wǎng)絡(luò )分析儀來(lái)檢查天線(xiàn)調試。在第一個(gè)步驟中，先校準該網(wǎng)絡(luò )分析儀，然后通過(guò)調整匹配網(wǎng)絡(luò )組件和驗證Smith圖表中的調試進(jìn)行天線(xiàn)調試。 調試過(guò)程中會(huì )使用： § 安捷倫(Agilent)8714ES網(wǎng)絡(luò )分析儀(已校準) § Pioneer套件鼠標(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  402DC)調試過(guò)程主要步驟為： 1.準備ID 2.設置并校準網(wǎng)絡(luò )分析儀 3.PCB空板調試。如同圖中所示，標志1、2和3的回波損耗大于15db。 4.使用塑料和人體接觸來(lái)調整調試 準備ID 該步驟非常重要，因為同軸線(xiàn)纜的放置情況會(huì )使s11的變化值為3dB。盡量使同軸線(xiàn)纜屏蔽的接地連接靠近傳輸線(xiàn)返回路徑。請執行以下操作： 1.打開(kāi)塑料外殼，去掉電池或斷開(kāi)供電電源。 2.使同軸線(xiàn)纜接近芯片的射頻輸出引腳。斷開(kāi)芯片連接。否則，不僅僅是天線(xiàn)，就連Balun也會(huì )連接到同軸線(xiàn)纜。請參見(jiàn)圖29。 3.請確保，有一個(gè)裸露接地層靠近同軸線(xiàn)纜頭。將線(xiàn)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，調試準確度就越高。根據同軸線(xiàn)纜接地的位置，回波損耗測量的差值可為3dB。 4.將一個(gè)10pF的電容從50Ω參考點(diǎn)的第一個(gè)焊盤(pán)連接至天線(xiàn)末梢。要在同軸線(xiàn)纜和天線(xiàn)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(xiàn)纜的連接點(diǎn) 設置并校準網(wǎng)絡(luò )分析儀 1.使用3.5mm校準套件進(jìn)行校準。接下來(lái)，將網(wǎng)絡(luò )分析儀的校準套件設置為3.5mm后，按下Agilent8714ES上的cal(校準)按鍵。您也可以使用其他校準套件，如N型校準套件。 2.按下頻率按鍵，分別將啟動(dòng)頻率和停止頻率設置為2GHz和3GHz，將格式設為Smith圖表。 3.按下marker(標記)按鍵，將各標記的頻率分別設為2.402GHz、2.44GHz和2.48GHz。 4.按下cal(校準)按鍵，選擇網(wǎng)絡(luò )分析儀上的S11并將其設為用戶(hù)1端口校準。 5.要求連接“open”加載時(shí)，請連接“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 )計算系數，并將50Ω加載顯示為Smith圖表上明確標記為50,0的參考點(diǎn)。 8.通過(guò)按下‘scale’按鍵并正確設置電氣延遲，可調試同軸線(xiàn)纜和設置電氣延遲。 調試PCB空板 想要調試PCB空板，先要確定天線(xiàn)的阻抗，然后根據匹配網(wǎng)絡(luò )組件，在所需頻帶內使回波損耗低于10db。 1.將一個(gè)8.2pF大小的電容與天線(xiàn)串聯(lián)起來(lái)。在所需頻帶內，該電容的阻抗為0Ω。該阻抗便是天線(xiàn)阻抗。天線(xiàn)的阻抗等于(100.36–j34.82)，如Smith圖表中紅色圓圈所示。 圖30.僅針對天線(xiàn)的Smith圖表 2.確定天線(xiàn)的阻抗后，通過(guò)執行阻抗轉換使用拓撲使天線(xiàn)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)組件構成的。 圖31.匹配網(wǎng)絡(luò ) 可以使用標準的開(kāi)源工具(如Bern研究院的SmithV3.10)對匹配網(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(xiàn)，可以將天線(xiàn)阻抗轉換為50Ω,，從而能夠在所需的頻帶中去除虛擬部分。由于準確值不可用，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(xiàn)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(guān)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。出現這種情況是因為頻率為2.4GHz時(shí)，電容的走線(xiàn)間電感、焊盤(pán)的寄生加載以及接地返回路徑構建了一個(gè)附加的寄生回路，從而完全改變了Smith圖表。對于該應用，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(xiàn)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(xiàn)間電感的寄生電容。接地返回路徑緊挨著(zhù)該天線(xiàn)。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(xiàn)的電感會(huì )很大，所以要添加幾個(gè)電容器以調整該電感。這是調整天線(xiàn)時(shí)遇到的典型問(wèn)題。理論與實(shí)踐間存在著(zhù)明顯的差別。用戶(hù)可添加一個(gè)電容器，但請注意，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撥損耗。大于15db的回波損耗符合我們的應用。 圖36.使用實(shí)際組件時(shí)的回波損耗 如同圖中所示，標志1、2和3的回波損耗大于15db。 使用塑料和人體接觸來(lái)調整調試 PCB的塑料外殼更改了天線(xiàn)調整。所有天線(xiàn)均受到近場(chǎng)或遠場(chǎng)物體的影響。如果是一個(gè)窄帶天線(xiàn)，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(xiàn)纜可使天線(xiàn)完全失調，并且在2.402G到2.482G的優(yōu)選頻帶內它的回波損耗會(huì )低于10db。因此，調試PCB空板后，需要使PCB保持在塑料外殼內，并使用鼠標重新檢測調試。這樣操作很復雜，尤其是還要將同軸電纜引出塑料裝配外。通過(guò)在ID內鉆出一小孔，可以將該同軸電纜引出去。最后使用塑料外殼或將一只手放在塑料外殼上面(如同用戶(hù)使用鼠標時(shí))進(jìn)行檢查調試效果。所觀(guān)察到的回波損耗的影響最小。 圖37.使用塑料裝置時(shí)的SmithChart，連接至ID的圖表 總結 本應用筆記簡(jiǎn)單介紹了如何使用PRoCBLE/PSoCBLE輕松設計自定義產(chǎn)品的最佳天線(xiàn)。同時(shí)也提供了針對不同天線(xiàn)類(lèi)型所需要的天線(xiàn)布局指南。 關(guān)于作者姓名：Tapan Pattnayak 職務(wù)：高級系統主管工程師 背景：2002年，Tapan在印度Kharagpur技術(shù)學(xué)院(IITKharagpur)獲得了電氣工程技術(shù)學(xué)士學(xué)位。目前，他在美國圣何塞的賽普拉斯半導體技術(shù)公司任職。 聯(lián)系方式：tapi@cypress.com |
