【PCB設(shè)計(jì)】天線設(shè)計(jì)“寶典大全”

天線饋電的考量

表2顯示的是雙層FR4PCB頂層和底層間厚度的“W”值(相應(yīng)的介電常數(shù)為4.3)。頂層包含了天線走線;而底層則是包含了固態(tài)RF接地層的下一層。底層的余下PCB空間可以作為信號(hào)接地層使用(針對(duì)PRoC/PSoC和其他電路)。圖11顯示的是典型的雙層PCB厚度的“W”值。

表2.FR4PCB的“W”值：天線層與相鄰射頻的接地層間的厚度。

圖11.PCB厚度說(shuō)明

對(duì)于為天線饋電更短的PCB走線，這樣的寬度要求是比較寬松的。要確保天線走線的寬度和天線饋電接點(diǎn)的寬度相同。在圖12展示的情況中，天線饋電的走線寬度不是表2中所規(guī)定的寬度。

圖12.短走線的天線饋電寬度

但如果傳輸線較長(zhǎng)(從匹配網(wǎng)絡(luò)至天線或回到PRoC/PSoC的ANT引腳的線的長(zhǎng)約為1cm)，那么賽普拉斯建議使用底層上寬度特定的“W”的傳輸線(TLine)類型(該線被放置在PCB上)作為饋源。

圖13表示的是MIFA的S11。該MIFA的帶寬(S11≤–10dB)范圍為2.44GHz±230MHz。因此，在2.44GHz±230MHz的范圍內(nèi)，天線的反射小于或等于10%，這樣將夠用于BLE應(yīng)用。

圖13.MIFA的S11(回波損耗=–S11)

圖14顯示的是MIFA在2.44GHz頻率時(shí)完整的3D輻射增益圖。在給自定義應(yīng)用設(shè)置MIFA天線時(shí)，該信息非常有用，有助于在需要的方向上得到最大的輻射。在上面的圖中：MIFA被放置在XY平面上，Z軸方向與它垂直。

圖14.MIFA的3D輻射增益圖

提供該輻射圖，可以知道：最大的輻射出現(xiàn)在與X軸成30°角度的圓錐空間內(nèi)。這是因?yàn)镸IFA在XY平面上不能保持正橫或正豎的方向。MIFA豎向部分和末梢和均參加了輻射，并形成一個(gè)傾斜的輻射圖。

天線長(zhǎng)度的考量

根據(jù)PCB的不同厚度，需要調(diào)整MIFA天線的長(zhǎng)度，這樣才能調(diào)整天線輻射的阻抗和頻率選擇。根據(jù)不同的電路板厚度，賽普拉斯提供了下面各天線長(zhǎng)度。

圖15.MIFA的長(zhǎng)度

表3.豎向部分和末梢的長(zhǎng)度(L_Tip/L_leg)

圖15顯示的是兩種適用于兩個(gè)不同電路板厚度的MIFA天線。設(shè)計(jì)人員根據(jù)特定的電路板厚度進(jìn)行調(diào)整MIFA天線的長(zhǎng)度時(shí)，請(qǐng)參考表3。

倒F天線(IFA)

對(duì)于天線的尺寸有一定限制條件的應(yīng)用中(例如心率監(jiān)視器)，推薦您選用這種IFA。圖16顯示所推薦的IFA的詳細(xì)布局，其中包含了雙層PCB中的頂層和底層。其走線寬度約為24mm。

對(duì)于厚度為1.6mm的FR4PCB，IFA的尺寸被設(shè)計(jì)為4mm×20.5mm(157.5mils×807mils)。與MIFA相比，IFA的寬高比(寬度和高度的比例)更大。

圖16.IFA布局

頂層(天線層)

底層(RF接地層)

注意：有關(guān)1.6mm厚的FR4PCB的Gerber文件(和.brd文件)，請(qǐng)參考www.cypress.com/go/AN91445網(wǎng)頁(yè)上的AN91445.zip文件。

饋電走線的寬度“W”受產(chǎn)品中PCB堆棧的影響。表4根據(jù)頂層(天線層)和底層(相鄰射頻接地層)間不同的PCB厚度給FR4基板提供了相應(yīng)的“W”值(相應(yīng)的介電常數(shù)為4.3)。頂層包含天線跡線;而底層則為其緊挨的包含了固態(tài)RF接地層的下一層。底層上剩余的PCB空間可以作為信號(hào)接地平面使用(對(duì)于PRoC/PSoC和其他電路)。圖17將典型的雙層PCB的“PCB厚度”的概念與“F”值聯(lián)系起來(lái)。

表4.FR4PCB的“F”值：天線層與相鄰射頻的接地層間的厚度。

圖17.PCB厚度說(shuō)明

對(duì)于小于3mm的短走線，天線饋電厚度是可以調(diào)整的。天線饋電的厚度可以與天線走線厚度相同，請(qǐng)參見(jiàn)圖12。

IFA在220MHz的帶寬上(S11≤–10dB)的頻率約為2.44GHz，如圖18中所示。

圖18.IFA的S11(回波損耗=-S11)

圖19顯示的是IFA在XY平面上的定性輻射圖。在為客戶應(yīng)用設(shè)置IFA天線時(shí)，該信息非常有用，有助于在需要的方向上得到最大的輻射。為了便于觀察，圖中只顯示了定性輻射的方向。有關(guān)所有XY、YZ、ZX平面上詳細(xì)的輻射圖，請(qǐng)聯(lián)系賽普拉斯的技術(shù)支持。

圖19.IFA的定性2D輻射增益圖

芯片天線

對(duì)于PCB尺寸非常小的利基應(yīng)用(例如藍(lán)牙收發(fā)器)，芯片天線不失為一種很好的辦法(圖20)。它們是現(xiàn)成的天線，占用的PCB空間最小，并且能夠提供較好的性能。但芯片天線增加了材料清單(BOM)，并需要裝配費(fèi)用。因?yàn)樗笥嗁?gòu)和裝配外部組件。通常，芯片天線的價(jià)格約為10-50美分，具體價(jià)格取決于尺寸和性能。

圖20.芯片天線

使用芯片天線時(shí)，也應(yīng)考慮另一個(gè)關(guān)鍵因素：它受輻射接地面積的影響。所以，必須遵循廠家對(duì)接地面積的推薦。與PCB天線不同，芯片天線不能通過(guò)改變天線長(zhǎng)度來(lái)調(diào)整。另外需要一個(gè)匹配網(wǎng)絡(luò)才能調(diào)整該天線，因此會(huì)增加更多的材料清單。

賽普拉斯只推薦將芯片天線使用在要求PCB空間極小的特定應(yīng)用中，例如：Nano藍(lán)牙收發(fā)器。對(duì)于這樣的應(yīng)用，賽普拉斯建議使用具有約翰森技術(shù)的2450AT18B100E芯片天線，其尺寸為63milx126mil。而對(duì)于大部分應(yīng)用，則建議使用PCB天線，如MIFA或IFA。這些小外形(占用空間小)天線不但廉價(jià)，而且提供的性能非常卓越。圖21和圖22顯示的是具有約翰森技術(shù)的2450AT42B100E芯片天線布局指南。其尺寸為118milx196mil。更多有關(guān)這些天線的詳細(xì)指南，請(qǐng)參考它們相關(guān)的網(wǎng)址。

圖21.具有約翰森技術(shù)的2450AT42B100E芯片天線的布局指南

該布局也顯示了50Ω的饋電傳輸線以及與其相匹配的組件。饋電傳輸線的寬度取決于電路板的厚度。表4中指定了準(zhǔn)確的電路板厚度。

圖22.與產(chǎn)品網(wǎng)頁(yè)中相同的約翰森技術(shù)天線的布局指南。

芯片天線的性能是由接地層決定。一般來(lái)說(shuō)，它們需要更多的接地面積和更大的空間。如上圖所示，對(duì)于2450AT42B100E的天線，最小的接地距離為0.8mm。該間距為2-3mm時(shí)，觀察到的s11會(huì)更加明顯。

芯片天線不一定是嚴(yán)格等向性的。輻射存在某些優(yōu)先的方向。根據(jù)Gnd間距和塑料配件，輻射最大的方向也不一樣。有關(guān)約翰森技術(shù)的芯片天線(2450AT42B100E)的常見(jiàn)輻射方向，請(qǐng)參見(jiàn)圖23。

圖23.芯片天線的輻射圖

賽普拉斯只推薦將芯片天線使用在要求PCB空間極小的特定應(yīng)用中，例如：Nano藍(lán)牙收發(fā)器或超小的模塊。對(duì)于這些應(yīng)用，賽普拉斯也建議使用含有約翰森技術(shù)的2450AT42B100E芯片天線，因?yàn)榕c2450AT18B100E相比，它的尺寸更大，射頻性能更好，并且需要較小的Gnd間距。介紹翰森技術(shù)天線的內(nèi)容僅供參考。更多有關(guān)2.4GHz芯片天線的信息，請(qǐng)向各供應(yīng)商索取，如Murata、Vishay等。

對(duì)于大部分應(yīng)用，建議使用PCB天線，如MIFA或IFA。這些外形小(占用空間小)的天線雖然廉價(jià)，但提供的性能非常卓越。

導(dǎo)線天線

導(dǎo)線天線是傳統(tǒng)的舊式天線，將一條鋁線或一根四分之一波長(zhǎng)的回形針固定在PCB上面便構(gòu)成了這種天線，該鋁線或回形針按螺旋形狀安裝在PCB上，然后在距離PCB5-6mm的位置與該層并行。

不用再做介紹，由于它們作為3D天線裸露在空氣中，所以它們的射頻性能非常好。這種天線具有最好的信號(hào)范圍和最等向的輻射方向圖。導(dǎo)線天線的無(wú)線覆蓋范圍可超過(guò)100英尺。

對(duì)于要求小外形天線的BLE應(yīng)用，不建議使用這種天線，因?yàn)樗鼤?huì)占用較大空間和垂直高度。但如果有足夠的空間，那么這種天線可實(shí)現(xiàn)最佳的射頻范圍、方向性以及輻射方向圖等性能。

圖24.導(dǎo)線天線布局

導(dǎo)線天線具有最佳的射頻性能。與其他天線相比，導(dǎo)線天線的天線增益和輻射性能是最好的。請(qǐng)參考圖25，了解導(dǎo)線天線的定性輻射方向圖。

圖25.導(dǎo)線天線的定性輻射方向圖

各種天線的比較

請(qǐng)參考表5，快速為您的應(yīng)用選擇合適的天線。

表5.MIFA、IFA、芯片和導(dǎo)線天線間的比較

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