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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。 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(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。 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(chēng)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(chēng)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(chēng)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(chēng)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 天線類(lèi)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(chē)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(lèi)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(huà)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 天線的選擇 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。 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。 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(%)。回波損耗為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)。 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(mǎn)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。可使用其中兩個(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(lèi)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(mǎn)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(zhuān)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。 但您也可以從本文檔中選出任何一款符合您的應(yīng)用要求的天線。 賽普拉斯專(zhuān)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(pán)、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(pán)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。 圖10.MIFA布局 頂層(天線層) 底層(RF接地層) 注意：有關(guān)用于1.6mm厚的FR4PCB上MIFA天線的Gerber和.brd文檔，請(qǐng)?jiān)L問(wèn)網(wǎng)址www.cypress.com/go/AN91445上的AN91445.zip文檔。 |
