天線設(shè)計(jì)指南（上）

      本文章使用簡單的術(shù)語介紹了天線的設(shè)計(jì)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(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。

　　簡介

　　天線是無線系統(tǒng)中的關(guān)鍵組件，它負(fù)責(zé)發(fā)送和接收來自空中的電磁輻射。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)。終端客戶從某個(gè)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(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.典型的近距離無線系統(tǒng)

　　設(shè)計(jì)優(yōu)良的天線可以擴(kuò)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(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)體的長度與信號(hào)波長成特定比例或整數(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)，所以該條件被稱為“諧振”。

　　圖2. 偶極天線基礎(chǔ)

　　如圖2所示，導(dǎo)體的波長為λ/2，其中λ為電信號(hào)的波長。信號(hào)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(diǎn)為其供電。按照這個(gè)長度，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(dǎo)體長度僅為λ/4，但仍具有相同的性能。請(qǐng)參見圖3。

　　通過在導(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(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. 四分之一波長天線

　　對(duì)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

　　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(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，天線可能與汽車的FM天線一樣長，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型：

　　1.導(dǎo)線天線：這是在PCB上延長到自由空間中的一段導(dǎo)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(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。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上沒有足夠的空間來布局PCB天線時(shí)。有關(guān)芯片天線的信息，請(qǐng)參見下圖。想要了解各種天線的尺寸對(duì)比，請(qǐng)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(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。