天线设计指南（下）

调试PCB空板

想要调试PCB空板，先要确定天线的阻抗，然后根据匹配网络组件，在所需频带内使回波损耗低于10db。

1.将一个8.2pF大小的电容与天线串联起来。在所需频带内，该电容的阻抗为0Ω。该阻抗便是天线阻抗。天线的阻抗等于(100.36–j34.82)，如Smith图表中红色圆圈所示。



图30.仅针对天线的Smith图表

2.确定天线的阻抗后，通过执行阻抗转换使用拓扑使天线阻抗变为50Ω。赛普拉斯MIFA或IFA的大部分匹配网络(图31所示)是由两个组件构成的。



图31.匹配网络

可以使用标准的开源工具(如Bern研究院的SmithV3.10)对匹配网络组件进行仿真。通过将0.45pF的并联电容和3.6nH的串联电感连接到天线，可以将天线阻抗转换为50Ω,，从而能够在所需的频带中去除虚拟部分。由于准确值不可用，因此我们要选择一个0.5pF的并联电容和一个3.6nH的串联电感。



图32.在Smith图表中转换为50Ω

以下显示的是匹配网络的最终原理图。ZL表示阻抗为0欧姆时天线的阻抗。Zin指的是输出阻抗为50欧姆时网络分析仪观察到的阻抗。



图33.理论匹配网络

仿真软件有助于了解组件值。但实际组件值与仿真值的差别很大。出现这种情况是因为频率为2.4GHz时，电容的走线间电感、焊盘的寄生加载以及接地返回路径构建了一个附加的寄生回路，从而完全改变了Smith图表。对于该应用，需要选择一个0.7pF的电容和一个1.2pF的串联电容，以得到谐振。



图34.实际的匹配网络

下面是该操作的简要说明。天线阻抗来自假定阻抗为0欧姆的8.2pF电容器。此外，该图也显示了频率为2.4Ghz时走线间电感的寄生电容。接地返回路径紧挨着该天线。但由于使用了匹配组件，接地返回路径将有额外的寄生电容。这样天线的电感会很大，所以要添加几个电容器以调整该电感。这是调整天线时遇到的典型问题。理论与实践间存在着明显的差别。用户可添加一个电容器，但请注意，如果添加某个电感，Smith图会向一定的方向移动。图35显示的是使用实际组件的最终Smith图表。



图35.使用实际组件的Smith图表

图中也显示了频率分别为2402MHz、2440MHz和2480MHz的标志1、2和3接近Smith图表上的(50,0)点。显示的是一个良好的匹配。

下面制图显示了组件值的回拨损耗。大于15db的回波损耗符合我们的应用。



图36.使用实际组件时的回波损耗

如同图中所示，标志1、2和3的回波损耗大于15db。

使用塑料和人体接触来调整调试

PCB的塑料外壳更改了天线调整。所有天线均受到近场或远场物体的影响。如果是一个窄带天线，它受近场物体的影响几率非常大。

塑料外壳和附近移动的电池线缆可使天线完全失调，并且在2.402G到2.482G的优选频带内它的回波损耗会低于10db。因此，调试PCB空板后，需要使PCB保持在塑料外壳内，并使用鼠标重新检测调试。这样操作很复杂，尤其是还要将同轴电缆引出塑料装配外。通过在ID内钻出一小孔，可以将该同轴电缆引出去。最后使用塑料外壳或将一只手放在塑料外壳上面(如同用户使用鼠标时)进行检查调试效果。所观察到的回波损耗的影响最小。



图37.使用塑料装置时的SmithChart，连接至ID的图表

总结

本应用笔记简单介绍了如何使用PRoCBLE/PSoCBLE轻松设计自定义产品的最佳天线。同时也提供了针对不同天线类型所需要的天线布局指南。

关于作者姓名：Tapan Pattnayak

职务：高级系统主管工程师

背景：2002年，Tapan在印度Kharagpur技术学院(IITKharagpur)获得了电气工程技术学士学位。目前，他在美国圣何塞的赛普拉斯半导体技术公司任职。

联系方式：tapi@cypress.com