天線設(shè)計指南（上）

　　天線參數(shù)

　　下面部分提供了天線性能的某些關(guān)鍵參數(shù)。

　　§ 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(xiàn)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(shù)值。對于工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，商業(yè)天線和它的測試設(shè)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(fā)射全部功率，不會產(chǎn)生任何反射。

　　如果該回波損耗是無限的，則認(rèn)為天線與TL完全匹配，如圖7所示。S11是回波損耗的倒數(shù)，其單位為dB。根據(jù)經(jīng)驗估計，如果回波損耗≥10dB(既S11≤–10dB)，便足夠大。表1顯示了天線的回波損耗(dB)與反射功率(%)。回波損耗為10dB時，表示90%的入射功率被傳給天線以進行發(fā)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(yīng)。它表示在采用的整個頻帶上，即在BLE應(yīng)用的2.40GHz至2.48GHz的范圍內(nèi)，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(chǎn)生熱量是由于FR4基板中的介電損耗以及銅線中的導(dǎo)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(fā)射到空間內(nèi)。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(yīng)用中準(zhǔn)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(fā)射。但大多數(shù)天線都達不到這個理想的性能。欲了解詳細(xì)說明，請參看圖9中所示的PCB天線的輻射圖。每個數(shù)據(jù)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(fā)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(shè)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(diào)整。調(diào)試過程需要確保在某個頻帶內(nèi)進行傳輸時應(yīng)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(dāng)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(diào)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(diào)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(diào)整。對于射頻范圍較小的低數(shù)據(jù)速率應(yīng)用，賽普拉斯所推薦的PCB天線不需要通過任何組件來調(diào)整天線。

　　對于高數(shù)據(jù)速率的應(yīng)用(如通過遙控器的聲音識別應(yīng)用)，建議至少需要使用四個組件進行匹配網(wǎng)絡(luò)。其中兩個用于平衡器調(diào)整，其余兩個用于天線調(diào)整?？墒褂闷渲袃蓚€進行調(diào)整過程，剩下的兩個保持待用狀態(tài)。

　　此外，賽普拉斯PRoC/PSoC還提供了不同的應(yīng)用，如室內(nèi)定位、智能家居、智能電器以及傳感器集線器。這些應(yīng)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(yīng)用設(shè)計更好的天線。導(dǎo)線天線非常適合非穿戴式但位置固定的應(yīng)用。

　　很多應(yīng)用直接在其主PCB中嵌入了賽普拉斯的該類模塊，用以實現(xiàn)無線連接。這些應(yīng)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(yīng)用很多，但大多數(shù)BLE應(yīng)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(yīng)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(yīng)用中。

　　但您也可以從本文檔中選出任何一款符合您的應(yīng)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(yīng)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(shè)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(nèi)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(yīng)用中，如無線鼠標(biāo)、鍵盤、演示機等等。對于IFA天線，建議將其應(yīng)用在要求天線一側(cè)的尺寸遠小于另一側(cè)的尺寸的應(yīng)用中，如心率監(jiān)視器。大多數(shù)BLE應(yīng)用中使用的是MIFA天線。下面各節(jié)將詳細(xì)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(shè)備(HID)中，因為它占用的PCB空間較小。因此賽普拉斯已設(shè)計出一種結(jié)實的MIFA天線，而它能在較小的波形系數(shù)中提供優(yōu)越的性能。該天線的尺寸為7.2mm×11.1mm(相當(dāng)于284密耳×437密耳)，因此它很適合于各種HID的應(yīng)用，例如無線鼠標(biāo)、鍵盤或演示機等。圖10顯示的是所推薦的MIFA天線的詳細(xì)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(shù)，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(guān)用于1.6mm厚的FR4PCB上MIFA天線的Gerber和.brd文檔，請訪問網(wǎng)址www.cypress.com/go/AN91445上的AN91445.zip文檔。