天线设计指南（下）

环境对天线性能的影响

通常消费类产品中所使用的天线对PCB射频接地层的大小和产品的塑料外壳非常敏感。可将天线模拟为一个LC谐振器，当L(电感)或C(电容)增加时，该LC谐振器的谐振频率会下降。更大的射频接地层和塑料外壳会增大有效电容，从而降低谐振频率。

接地层的影响

赛普拉斯已经广泛地研究了射频接地层的大小和附近塑料外壳对天线谐振频率产生的影响。通过实验和测量证明，赛普拉斯可以确定天线的灵敏度并提供一个既简单强大，又有效的解决方法，以便调试天线。

要想评估天线对射频接地层大小的灵敏度，可以通过在各种可能尺寸的PCB上安装天线进行实验。图26显示的是MIFA被放置在接地层大小不同的PCB上的示例。PCB的尺寸范围为20mm×20mm至50mm×50mm。

通过该曲线可以了解到，射频接地层的面积越大，那么谐振频率越低，并且接地层也越好，因此回波损耗也会越小。这便是好的PCB布局中的关键条件。给四分之一波长的天线提供的接地层越好，它与理论性能的关系也会越好。这是进行天线设计中的关键概念，可以解决没有足够空间提供给接地小型模块天线的困难。



图26.PCB

塑料外壳的影响

同样，为确定产品的塑料外壳对天线的影响，要使用一个无线鼠标进行实验，如图27所示。将赛普拉斯MIFA放置在无线鼠标的塑料外壳中，然后测量该天线的谐振频率。





图27.塑料外壳的影响

通过图26和图27，可了解以下主要内容：

§ 将天线放置在靠近塑料外壳的地方时，谐振频率会降低。

§ 谐振频率的变化范围为100MHz至200MHz。必须重新调试天线才能获得所需频带。

总之，加大接地层大小和塑料外壳是为了使天线的谐振频率降低到100MHz至200MHz的范围内。

产品外壳和接地层指南

§ 必须确保在天线末梢或天线长度范围附近不能有任何组件、固定螺钉或接地层。

§ 电池线或音频线不能穿过天线或PCB上天线布线的同一侧面。

§ 不能将金属外壳完全覆盖天线。如果产品外壳是金属的或是一个保护罩，请不要将外壳完全覆盖掉天线。

§ 天线的方向应该符合最终产品的方向，这样使天线在所需的方向上具有最大的辐射。

§ 应该具有足够的空间：接地层越大，MIFA、IFA、芯片天线和导线天线的S11参数值(回波损耗)会越高。

§ 天线正下方不应该存在任何接地层。请参考图14。这个设置适用于所有天线。

§ 从天线到接地层要有足够的空间(间隙)，该接地层的宽度应该最小。请参考图10、图15和图21。

天线调试

天线调试过程确保在所需频带中，天线的回波损耗(从芯片输出的方向来看)大于10dB。同样，对于芯片(Balun)，要执行相同的程序，用以确保在接受模式下，Balun的阻抗为50Ω。这时天线调试和Balun调试均被称为天线调试。



图28.调试和匹配网络的参考图

50Ω参考点被连接至具有一个端口网络的网络分析仪。进行天线调试期间，通过移除Balun匹配组件可以断开同芯片的连接。进行Balun调试期间，会断开同天线匹配组件的连接。

以下章节将详细说明如何使用网络分析仪来调试天线。虽然这里仅显示了一个Pioneer套件无线鼠标的调试程序，不过该程序适用于所有天线调试。

调试过程

如前面所述，外壳和接地层的影响使天线所需的频带失调，并且影响了回波损耗。因此，天线调试过程包括两个步骤：首先，将PCB空板调试为所需频带;然后在确定ID后，通过塑料外壳和人体接触检查调试。

使用网络分析仪来检查天线调试。在第一个步骤中，先校准该网络分析仪，然后通过调整匹配网络组件和验证Smith图表中的调试进行天线调试。

调试过程中会使用：

§ 安捷伦(Agilent)8714ES网络分析仪(已校准)

§ Pioneer套件鼠标(如DUT)

§ 电气延迟时间为350ps的半刚性电缆

§ 质量的射频组件目录(Johanson套件P/N402DC)

调试过程主要步骤为：

1.准备ID

2.设置并校准网络分析仪

3.PCB空板调试。如同图中所示，标志1、2和3的回波损耗大于15db。

4.使用塑料和人体接触来调整调试

准备ID

该步骤非常重要，因为同轴线缆的放置情况会使s11的变化值为3dB。尽量使同轴线缆屏蔽的接地连接靠近传输线返回路径。请执行以下操作：

1.打开塑料外壳，去掉电池或断开供电电源。

2.使同轴线缆接近芯片的射频输出引脚。断开芯片连接。否则，不仅仅是天线，就连Balun也会连接到同轴线缆。请参见图29。

3.请确保，有一个裸露接地层靠近同轴线缆头。将线缆的屏蔽或外壳接地。将该屏蔽/外壳接地时，尽量缩短它与地面间的距离。该距离越小，调试准确度就越高。根据同轴线缆接地的位置，回波损耗测量的差值可为3dB。

4.将一个10pF的电容从50Ω参考点的第一个焊盘连接至天线末梢。要在同轴线缆和天线之间始终连接一个电容。这样能够阻止网络分析仪的直流电。





图29.同轴线缆的连接点

设置并校准网络分析仪

1.使用3.5mm校准套件进行校准。接下来，将网络分析仪的校准套件设置为3.5mm后，按下Agilent8714ES上的cal(校准)按键。您也可以使用其他校准套件，如N型校准套件。

2.按下频率按键，分别将启动频率和停止频率设置为2GHz和3GHz，将格式设为Smith图表。

3.按下marker(标记)按键，将各标记的频率分别设为2.402GHz、2.44GHz和2.48GHz。

4.按下cal(校准)按键，选择网络分析仪上的S11并将其设为用户1端口校准。

5.要求连接“open”加载时，请连接“open”加载，并按下measurestandard。

6.连接“Short”加载，并按下measurestandard。

7.连接至“broadband”加载，并按下measurestandard。然后网络分析仪会计算系数，并将50Ω加载显示为Smith图表上明确标记为50,0的参考点。

8.通过按下‘scale’按键并正确设置电气延迟，可调试同轴线缆和设置电气延迟。