非常实用: 2.4G天线设计指南(赛普拉斯工程师力作) 上篇

本文章使用简单的术语介绍了天线的设计情况，并推荐了两款经过赛普拉斯测试的低成本PCB天线。这些PCB天线能够与赛普拉斯PRoC™和PSoC®系列中的低功耗蓝牙(BLE)解决方案配合使用。为了使性能最佳，PRoC BLE和PSoC4 BLE2.4GHz射频必须与其天线正确匹配。本应用笔记中最后部分介绍了如何在最终产品中调试天线。　　

简介　　

天线是无线系统中的关键组件，它负责发送和接收来自空中的电磁辐射。为低成本、消费广的应用设计天线，并将其集成到手提产品中是大多数原装设备制造商(OEM)正在面对的挑战。终端客户从某个RF产品(如电量有限的硬币型电池)获得的无线射程主要取决于天线的设计、塑料外壳以及良好的PCB布局。　　

对于芯片和电源相同但布局和天线设计实践不同的系统，它们的RF(射频)范围变化超过50%也是正常的。本应用笔记介绍了最佳实践、布局指南以及天线调试程序，并给出了使用给定电量所获取的最宽波段。　　

图1.典型的近距离无线系统　　

设计优良的天线可以扩大无线产品的工作范围。从无线模块发送的能量越大，在已给的数据包错误率(PER)以及接收器灵敏度固定的条件下，传输的距离也越大。另外，天线还有其他不太明显的优点，例如：在某个给定的范围内，设计优良的天线能够发射更多的能量，从而可以提高错误容限化(由干扰或噪声引起的)。同样，接收端良好的调试天线和Balun(平衡器)可以在极小的辐射条件下工作。　　

最佳天线可以降低PER，并提高通信质量。PER越低，发生重新传输的次数也越少，从而可以节省电池电量。　　

天线原理　　

天线一般指的是裸露在空间内的导体。该导体的长度与信号波长成特定比例或整数倍时，它可作为天线使用。因为提供给天线的电能被发射到空间内，所以该条件被称为"谐振"。　　

图2. 偶极天线基础　　

如图2所示，导体的波长为λ/2，其中λ为电信号的波长。信号发生器通过一根传输线(也称为天线馈电)在天线的中心点为其供电。按照这个长度，将在整个导线上形成电压和电流驻波，如图2所示。　　

输入到天线的电能被转换为电磁辐射，并以相应的频率辐射到空中。该天线由天线馈电供电，馈电的特性阻抗为50Ω，并且辐射到特性阻抗为377Ω的空间中。　　

因此，对于天线的几何形状，有两个非常重要的事项需要注意：　　

1.天线长度　　

2.天线馈电　　

长度为λ/2的天线(如图2所示)被称为偶极天线。但在印刷电路板中，大多作为天线使用的导体长度仅为λ/4，但仍具有相同的性能。请参见图3。　　

通过在导体下方一定距离的位置上放置接地层，可以创建与导体长度相同的镜像(λ/4)。被组合在一起时，这些引脚作为偶极天线使用。这种天线被称为四分之一波长(λ/4)天线。PCB上几乎所有的天线都按铜制接地层上四分之一波长的尺寸实现。请注意，该信号现在是单端馈电，同时接地层作为返回路径使用。　　

图3. 四分之一波长天线　　

对于大多数PCB中使用的四分之一波长天线，需要特别注意：　　

1. 天线长度　　

2. 天线馈电　　

3. 接地层和回流路径的形状和尺寸　　

天线类型　　

如前部分所述，在自由空间中裸露的波长为λ/4的所有导体被放在一个接地层上，并为其提供合适的电压，那么该导体可以作为一个天线使用。根据不同的波长，天线可能与汽车的FM天线一样长，也可能与信号浮标上的走线一样短。对于2.4GHz的应用，大部分PCB天线都属于下面的类型：　　

1.导线天线：这是在PCB上延长到自由空间中的一段导线，它的长度为λ/4，并被放置在接地层上。这种天线是由50Ω阻抗的传输线供电的。通常，该导线天线提供的性能和辐射范围最好。该导线可以是直线、螺旋或是回路的。它是一个三维(3D)的结构，其中天线高出PCB4-5mm，并伸出到空间内。　　

图4.导线天线　　

2. PCB天线：它是PCB上的一根PCB走线，并且可以将其画成直线形走线、反转的F形走线、蛇形或圆形走线等。在一个PCB天线中，与导线天线不同的是，该天线没有被露到外部空间内，而是在同一个PCB层上以二维(2D)结构形式存在;请参见图5。　　

当裸露到空间外的3D天线被放置到PCB层上作为2D的PCB走线时，必须遵循一定的指南。一般情况下，与导线天线相比，它需要的PCB空间更大，效率也低，但成本低，并且可以给BLE应用提供可接收的无线距离。

图5. PCB天线　　

3.芯片天线：这是一种带有导体的天线，天线和导体都被组装在小型的IC封装中。当天线被封装在很小的尺寸内时，它会变得很有优势。天线USB的纳米收发