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本文章使用簡單的術語介紹了天線的設計情況，并推薦了兩款經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品中調試天線。 簡介 天線是無線系統中的關鍵組件，它負責發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。終端客戶從某個RF產品(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，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.典型的近距離無線系統 設計優良的天線可以擴大無線產品的工作范圍。從無線模塊發送的能量越大，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，天線還有其他不太明顯的優點，例如：在某個給定的范圍內，設計優良的天線能夠發射更多的能量，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，并提高通信質量。PER越低，發生重新傳輸的次數也越少，從而可以節省電池電量。 天線原理 天線一般指的是裸露在空間內的導體。該導體的長度與信號波長成特定比例或整數倍時，它可作為天線使用。因為提供給天線的電能被發射到空間內，所以該條件被稱為“諧振”。 圖2. 偶極天線基礎 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。請注意，該信號現在是單端饋電，同時接地層作為返回路徑使用。 圖3. 四分之一波長天線 對于大多數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： 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)的結構，其中天線高出PCB4-5mm，并伸出到空間內。 圖4.導線天線 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，而是在同一個PCB層上以二維(2D)結構形式存在;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。 圖5. PCB天線 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時，它會變得很有優勢。天線USB的納米收發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。 圖6.芯片天線 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的數據速率。然而，對于采用語音識別的遙控應用，則需要一個室內設置天線，該天線的輻射范圍大概為10-15英寸，并且其數據速率為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。在傳輸實時音頻數據并需要較高的吞吐量而不會丟失數據包的情況下，需要用到分集天線。也可以將它用在信標應用中，進行室內定位。 天線參數 下面部分提供了天線性能的某些關鍵參數。 § 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，但也可以是其他數值。對于工業標準，商業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射全部功率，不會產生任何反射。 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，其單位為dB。根據經驗估計，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(%)�；夭〒p耗為10dB時，表示90%的入射功率被傳給天線以進行發射。 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。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，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(請參見圖7)被消耗為天線中的熱量。產生熱量是由于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射。但大多數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。每個數據點都代表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。 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(即可從所有方向進行發射)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。 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整。調試過程需要確保在某個頻帶內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天線不需要通過任何組件來調整天線。 對于高數據速率的應用(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絡。其中兩個用于平衡器調整，其余兩個用于天線調整�？墒褂闷渲袃蓚�進行調整過程，剩下的兩個保持待用狀態。 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。導線天線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模塊，用以實現無線連接。這些應用要求通過FCC的低成本小型模塊。這時可以使用滿足這些要求的芯片天線。 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。賽普拉斯推薦使用兩種專有的PCB天線、蛇形倒F天線(MIFA)和倒F形天線(IFA)，它們是針對BLE應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。 賽普拉斯專有的PCB天線 賽普拉斯推薦使用IFA和MIFA這兩種PCB天線。BLE應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天線使用在僅需極小的PCB空間的應用中，如無線鼠標、鍵盤、演示機等等。對于IFA天線，建議將其應用在要求天線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。下面各節將詳細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的MIFA天線，而它能在較小的波形系數中提供優越的性能。該天線的尺寸為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，例如無線鼠標、鍵盤或演示機等。圖10顯示的是所推薦的MIFA天線的詳細布局，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，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：有關用于1.6mm厚的FR4PCB上MIFA天線的Gerber和.brd文檔，請訪問網址www.cypress.com/go/AN91445上的AN91445.zip文檔。 |
