天線(xiàn)設計指南（上）

　　天線(xiàn)參數

　　下面部分提供了天線(xiàn)性能的某些關(guān)鍵參數。

　　§ 回波損耗：天線(xiàn)的回波損耗表示天線(xiàn)如何與阻抗為50Ω的傳輸線(xiàn)(TL)實(shí)現匹配，將其顯示為圖7中的信號饋送。通常，這個(gè)TL的阻抗值為50Ω，但也可以是其他數值。對于工業(yè)標準，商業(yè)天線(xiàn)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(xiàn)反射的入射功率大小(公式1)。一個(gè)理想的天線(xiàn)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，則認為天線(xiàn)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(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(xiàn)的回波損耗(dB)與反射功率(%)?；夭〒p耗為10dB時(shí)，表示90%的入射功率被傳給天線(xiàn)以進(jìn)行發(fā)射。

　　圖7.回波損耗

　　表1.天線(xiàn)的回波損耗及反射功率

　　§ 帶寬：是指天線(xiàn)的頻率響應。它表示在采用的整個(gè)頻帶上，即在BLE應用的2.40GHz至2.48GHz的范圍內，該天線(xiàn)與50Ω的傳輸線(xiàn)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(jiàn)圖7)被消耗為天線(xiàn)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(xiàn)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(shí)，全部非反射的功耗都被發(fā)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(gè)方向上的輻射更大，哪個(gè)方向上的輻射更小。這有助于在應用中準確地確定天線(xiàn)的方向。

　　無(wú)方向性天線(xiàn)可以按與軸線(xiàn)相垂直的平面上所有方向進(jìn)行等效發(fā)射。但大多數天線(xiàn)都達不到這個(gè)理想的性能。欲了解詳細說(shuō)明，請參看圖9中所示的PCB天線(xiàn)的輻射圖。每個(gè)數據點(diǎn)都代表RF場(chǎng)強，可以通過(guò)接收器中用于接收信號強度的指示器(RSSI)進(jìn)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(xiàn)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(xiàn)(即可從所有方向進(jìn)行發(fā)射)進(jìn)行對比的信息。增益單位為dBi，即表示在與一個(gè)理想的無(wú)方向性天線(xiàn)進(jìn)行對比時(shí)輻射的場(chǎng)強。

　　賽普拉斯PRoC/PSoCBLE的天線(xiàn)

　　設計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(xiàn)，并且最多只能使用兩個(gè)外部組件進(jìn)行調整。調試過(guò)程需要確保在某個(gè)頻帶內進(jìn)行傳輸時(shí)應盡可能保持傳入天線(xiàn)的能量。這便意味著(zhù)，所需帶段中的回波損耗要大于10dB。當天線(xiàn)的輸入阻抗為50Ω，并且芯片輸出阻抗為50Ω時(shí)，天線(xiàn)收到的能量最大。天線(xiàn)作為接收端時(shí)，也要滿(mǎn)足上述條件。對于天線(xiàn)來(lái)說(shuō)，它的調整過(guò)程能夠確保天線(xiàn)的阻抗等于50Ω。對于芯片來(lái)說(shuō)，Balun(平衡器)調整過(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)組件對其進(jìn)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(xiàn)不需要通過(guò)任何組件來(lái)調整天線(xiàn)。

　　對于高數據速率的應用(如通過(guò)遙控器的聲音識別應用)，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)用于平衡器調整，其余兩個(gè)用于天線(xiàn)調整?？墒褂闷渲袃蓚€(gè)進(jìn)行調整過(guò)程，剩下的兩個(gè)保持待用狀態(tài)。

　　此外，賽普拉斯PRoC/PSoC還提供了不同的應用，如室內定位、智能家居、智能電器以及傳感器集線(xiàn)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(xiàn)。導線(xiàn)天線(xiàn)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(lèi)模塊，用以實(shí)現無(wú)線(xiàn)連接。這些應用要求通過(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(xiàn)。

　　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(xiàn)。賽普拉斯推薦使用兩種專(zhuān)有的PCB天線(xiàn)、蛇形倒F天線(xiàn)(MIFA)和倒F形天線(xiàn)(IFA)，它們是針對BLE應用而特性化和廣泛模擬的天線(xiàn)。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(xiàn)。

　　賽普拉斯專(zhuān)有的PCB天線(xiàn)

　　賽普拉斯推薦使用IFA和MIFA這兩種PCB天線(xiàn)。BLE應用中的低速率和典型的輻射圍范使這兩種天線(xiàn)特別有用。這些天線(xiàn)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(xiàn)使用在僅需極小的PCB空間的應用中，如無(wú)線(xiàn)鼠標、鍵盤(pán)、演示機等等。對于IFA天線(xiàn)，建議將其應用在要求天線(xiàn)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(xiàn)。下面各節將詳細介紹每種天線(xiàn)的信息。

　　蛇形倒F天線(xiàn)(MIFA)

　　MIFA是一種普通的天線(xiàn)，被廣泛地使用在各個(gè)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(shí)的MIFA天線(xiàn)，而它能在較小的波形系數中提供優(yōu)越的性能。該天線(xiàn)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(wú)線(xiàn)鼠標、鍵盤(pán)或演示機等。圖10顯示的是所推薦的MIFA天線(xiàn)的詳細布局，其中包含了雙層PCB的頂層和底層。這種天線(xiàn)的跡線(xiàn)寬度均為20密耳?！癢”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(xiàn)(傳輸線(xiàn))的寬度。

　　圖10.MIFA布局

　　頂層(天線(xiàn)層)

　　底層(RF接地層)

　　注意：有關(guān)用于1.6mm厚的FR4PCB上MIFA天線(xiàn)的Gerber和.brd文檔，請訪(fǎng)問(wèn)網(wǎng)址www.cypress.com/go/AN91445上的AN91445.zip文檔。