天線(xiàn)設計指南（上）

      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。