非常实用: 2.4G天线设计指南(赛普拉斯工程师力作) 下篇

赛普拉斯专有的PCB天线　　

赛普拉斯推荐使用IFA和MIFA这两种PCB天线。BLE应用中的低速率和典型的辐射围范使这两种天线特别有用。这些天线既便宜又容易设计，这是因为它们是PCB的组成部分，并且能够在150至250MHz的频段范围内提供良好的性能。　　

建议将MIFA天线使用在仅需极小的PCB空间的应用中，如无线鼠标、键盘、演示机等等。对于IFA天线，建议将其应用在要求天线一侧的尺寸远小于另一侧的尺寸的应用中，如心率监视器。大多数BLE应用中使用的是MIFA天线。下面各节将详细介绍每种天线的信息。　　

蛇形倒F天线(MIFA)　　

MIFA是一种普通的天线，被广泛地使用在各个人机接口设备(HID)中，因为它占用的PCB空间较小。因此赛普拉斯已设计出一种结实的MIFA天线，而它能在较小的波形系数中提供优越的性能。该天线的尺寸为7.2mm×11.1mm(相当于284密耳×437密耳)，因此它很适合于各种HID的应用，例如无线鼠标、键盘或演示机等。图10显示的是所推荐的MIFA天线的详细布局，其中包含了双层PCB的顶层和底层。这种天线的迹线宽度均为20密耳。"W"的值是可改变的主要参数，它取决于PCB堆栈间隔，它表示RF走线(传输线)的宽度。　　

 

图10.MIFA布局

 

 

顶层(天线层)

 

底层(RF接地层)

注意：有关用于1.6mm厚的FR4PCB上MIFA天线的Gerber和.brd文档，请访问网址www.cypress.com/go/AN91445上的AN91445.zip文档。

天线馈电的考量

表2显示的是双层FR4PCB顶层和底层间厚度的"W"值(相应的介电常数为4.3)。顶层包含了天线走线;而底层则是包含了固态RF接地层的下一层。底层的余下PCB空间可以作为信号接地层使用(针对PRoC/PSoC和其他电路)。图11显示的是典型的双层PCB厚度的"W"值。

表2.FR4PCB的"W"值：天线层与相邻射频的接地层间的厚度。

图11.PCB厚度说明

对于为天线馈电更短的PCB走线，这样的宽度要求是比较宽松的。要确保天线走线的宽度和天线馈电接点的宽度相同。在图12展示的情况中，天线馈电的走线宽度不是表2中所规定的宽度。

图12.短走线的天线馈电宽度

但如果传输线较长(从匹配网络至天线或回到PRoC/PSoC的ANT引脚的线的长约为1cm)，那么赛普拉斯建议使用底层上宽度特定的"W"的传输线(TLine)类型(该线被放置在PCB上)作为馈源。

图13表示的是MIFA的S11。该MIFA的带宽(S11≤–10dB)范围为2.44GHz±230MHz。因此，在2.44GHz±230MHz的范围内，天线的反射小于或等于10%，这样将够用于BLE应用。

图13.MIFA的S11(回波损耗=–S11)

图14显示的是MIFA在2.44GHz频率时完整的3D辐射增益图。在给自定义应用设置MIFA天线时，该信息非常有用，有助于在需要的方向上得到最大的辐射。在上面的图中：MIFA被放置在XY平面上，Z轴方向与它垂直。

 

图14.MIFA的3D辐射增益图

通过该辐射图，可以知道：最大的辐射出现在与X轴成30°角度的圆锥空间内。这是因为MIFA在XY平面上不能保持正横或正竖的方向。MIFA竖向部分和末梢和均参加了辐射，并形成一个倾斜的辐射图。天线长度的考量根据PCB的不同厚度，需要调整MIFA天线的长度，这样才能调整天线辐射的阻抗和频率选择。根据不同的电路板厚度，赛普拉斯提供了下面各天线长度。

图15.MIFA的长度

表3.竖向部分和末梢的长度(L_Tip/L_leg)

图15显示的是两种适用于两个不同电路板厚度的MIFA天线。设计人员根据特定的电路板厚度进行调整MIFA天线的长度时，请参考表3。

倒F天线(IFA)

对于天线的尺寸有一定限制条件的应用中(例如心率监视器)，推荐您选用这种IFA。图16显示所推荐的IFA的详细布局，其中包含了双层PCB中的顶层和底层。其走线宽度约为24mm。

对于厚度为1.6mm的FR4PCB，IFA的尺寸被设计为4mm×20.5mm(157.5mils×807mils)。与MIFA相比，IFA的宽高比(宽度和高度的比例)更大。

图16.IFA布局

顶层(天线层)

 

底层(RF接地层)

注意：有关1.6mm厚的FR4PCB的Gerber文件(和.brd文件)，请参考www.cypress.com/go/AN91445网页上的AN91445.zip文件。

馈电走线的宽度"W"受产品中PCB堆栈的影响。表4根据顶层(天线层)和底层(相邻射频接地层)间不同的PCB厚度给FR4基板提供了相应的"W"值(相应的介电常数为4.3)。顶层包含天线迹线;而底层则为其紧挨的包含了固态RF接地层的下一层。底层上剩余的PCB空间可以作为信号接地平面使用(对于PRoC/PSoC和其他电路