轉(zhuǎn)載自——> 微信公眾號：> 本文章使用簡單的術(shù)語介紹了天線的設計情況，并推薦了兩款經(jīng)過賽普拉斯測試的低成本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。 1.簡介 ??天線是無線系統(tǒng)中的關(guān)鍵組件，它負責發(fā)送和接收來自空中的電磁輻射。為低成本、消費廣的應用設計天線，并將其集成到手提產(chǎn)品中是大多數(shù)原裝設備制造商(OEM)正在面對的挑戰(zhàn)。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設計實踐不同的系統(tǒng)，它們的RF(射頻)范圍變化超過50%也是正常的。本應用筆記介紹了最佳實踐、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。 設計優(yōu)良的天線可以擴大無線產(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。另外，天線還有其他不太明顯的優(yōu)點，例如：在某個給定的范圍內(nèi)，設計優(yōu)良的天線能夠發(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(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。 2.天線原理 天線一般指的是裸露在空間內(nèi)的導體。該導體的長度與信號波長成特定比例或整數(shù)倍時，它可作為天線使用。因為提供給天線的電能被發(fā)射到空間內(nèi)，所以該條件被稱為“諧振”。 如圖2所示，導體的波長為λ/2，其中λ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)在天線的中心點為其供電。按照這個長度，將在整個導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，對于天線的幾何形狀，有兩個非常重要的事項需要注意： ??1.天線長度 ??2.天線饋電 ??長度為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體長度僅為λ/4，但仍具有相同的性能。請參見圖3。 ??通過在導體下方一定距離的位置上放置接地層，可以創(chuàng)建與導體長度相同的鏡像(λ/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(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的尺寸實現(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 3.天線類型 ??如前部分所述，在自由空間中裸露的波長為λ/4的所有導體被放在一個接地層上，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，也可能與信號浮標上的走線一樣短。對于2.4GHz的應用，大部分PCB天線都屬于下面的類型： 3.1.導線天線 這是在PCB上延長到自由空間中的一段導線，它的長度為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，該導線天線提供的性能和輻射范圍最好。該導線可以是直線、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PCB4-5mm，并伸出到空間內(nèi)。 3.2. 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PCB天線中，與導線天線不同的是，該天線沒有被露到外部空間內(nèi)，而是在同一個PCB層上以二維(2D)結(jié)構(gòu)形式存在;請參見圖5。 ??當裸露到空間外的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應用提供可接收的無線距離。 3.3.芯片天線 這是一種帶有導體的天線，天線和導體都被組裝在小型的IC封裝中。當天線被封裝在很小的尺寸內(nèi)時，它會變得很有優(yōu)勢。天線USB的納米收發(fā)器等應用會使用這種天線，當PCB上沒有足夠的空間來布局PCB天線時。有關(guān)芯片天線的信息，請參見下圖。想要了解各種天線的尺寸對比，請參見表4。 4.天線的選擇 ??天線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(比如無線鼠標)只需要10英寸的輻射范圍和幾kbps的數(shù)據(jù)速率。然而，對于采用語音識別的遙控應用，則需要一個室內(nèi)設置天線，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。 ??對于無線音頻應用，需要分集天線。分集天線是指：將兩根天線放置在同一個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因反射和多路徑衰弱而被遮住。在傳輸實時音頻數(shù)據(jù)并需要較高的吞吐量而不會丟失數(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應用中，進行室內(nèi)定位。 5.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)實現(xiàn)匹配，將其顯示為圖7中的信號饋送。通常，這個TL的阻抗值為50Ω，但也可以是其他數(shù)值。對于工業(yè)標準，商業(yè)天線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)驗估計，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(%)。回波損耗為10dB時，表示90%的入射功率被傳給天線以進行發(fā)射。 ?§ 帶寬：是指天線的頻率響應。它表示在采用的整個頻帶上，即在BLE應用的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。 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。這有助于在應用中準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行等效發(fā)射。但大多數(shù)天線都達不到這個理想的性能。欲了解詳細說明，請參看圖9中所示的PCB天線的輻射圖。每個數(shù)據(jù)點都代表RF場強，可以通過接收器中用于接收信號強度的指示器(RSSI)進行測量。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(即可從所有方向進行發(fā)射)進行對比的信息。增益單位為dBi，即表示在與一個理想的無方向性天線進行對比時輻射的場強。 6.賽普拉斯PRoC/PSoCBLE的天線 ??設計BLE的一個受限因素便是需要在一個緊湊的空間中集成天線，并且最多只能使用兩個外部組件進行調(diào)整。調(diào)試過程需要確保在某個頻帶內(nèi)進行傳輸時應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。當天線的輸入阻抗為50Ω，并且芯片輸出阻抗為50Ω時，天線收到的能量最大。天線作為接收端時，也要滿足上述條件。對于天線來說，它的調(diào)整過程能夠確保天線的阻抗等于50Ω。對于芯片來說，Balun(平衡器)調(diào)整過程可保證電阻接近50Ω。 ??PRoC/PSoCBLE器件中集成平衡器的阻抗并不等于50Ω，所以可能需要通過兩個組件對其進行調(diào)整。對于射頻范圍較小的低數(shù)據(jù)速率應用，賽普拉斯所推薦的PCB天線不需要通過任何組件來調(diào)整天線。 ??對于高數(shù)據(jù)速率的應用(如:通過遙控器的聲音識別應用)，建議至少需要使用四個組件進行匹配網(wǎng)絡。其中兩個用于平衡器調(diào)整，其余兩個用于天線調(diào)整