天線設計指南（上）

      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(fā)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(zhàn)。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(yōu)良的天線可以擴大無線產品的工作范圍。從無線模塊發(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，天線還有其他不太明顯的優(yōu)點，例如：在某個給定的范圍內，設計優(yōu)良的天線能夠發(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(fā)生重新傳輸的次數也越少，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(fā)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(fā)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(chuàng)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(yōu)勢。天線USB的納米收發(fā)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。