這些PCB天線能夠低功耗藍(lán)牙(BLE)解決方案配合使用。為了使性能最佳，BLE2.4GHz射頻必須與其天線正確匹配。

本應(yīng)用筆記中最后部分介紹了如何在最終產(chǎn)品中調(diào)試天線。

簡(jiǎn)介

天線是無(wú)線系統(tǒng)中的關(guān)鍵組件，它負(fù)責(zé)發(fā)送和接收來(lái)自空中的電磁輻射。為低成本、消費(fèi)廣的應(yīng)用設(shè)計(jì)天線，并將其集成到手提產(chǎn)品中是大多數(shù)原裝設(shè)備制造商(OEM)正在面對(duì)的挑戰(zhàn)。終端客戶(hù)從某個(gè)RF產(chǎn)品(如電量有限的硬幣型電池)獲得的無(wú)線射程主要取決于天線的設(shè)計(jì)、塑料外殼以及良好的PCB布局。

對(duì)于芯片和電源相同但布局和天線設(shè)計(jì)實(shí)踐不同的系統(tǒng)，它們的RF(射頻)范圍變化超過(guò)50%也是正常的。本應(yīng)用筆記介紹了最佳實(shí)踐、布局指南以及天線調(diào)試程序，并給出了使用給定電量所獲取的最寬波段。

圖1.典型的近距離無(wú)線系統(tǒng)

設(shè)計(jì)優(yōu)良的天線可以擴(kuò)大無(wú)線產(chǎn)品的工作范圍。從無(wú)線模塊發(fā)送的能量越大，在已給的數(shù)據(jù)包錯(cuò)誤率(PER)以及接收器靈敏度固定的條件下，傳輸?shù)木嚯x也越大。另外，天線還有其他不太明顯的優(yōu)點(diǎn)，例如：在某個(gè)給定的范圍內(nèi)，設(shè)計(jì)優(yōu)良的天線能夠發(fā)射更多的能量，從而可以提高錯(cuò)誤容限化(由干擾或噪聲引起的)。同樣，接收端良好的調(diào)試天線和Balun(平衡器)可以在極小的輻射條件下工作。

最佳天線可以降低PER，并提高通信質(zhì)量。PER越低，發(fā)生重新傳輸?shù)拇螖?shù)也越少，從而可以節(jié)省電池電量。

天線原理

天線一般指的是裸露在空間內(nèi)的導(dǎo)體。該導(dǎo)體的長(zhǎng)度與信號(hào)波長(zhǎng)成特定比例或整數(shù)倍時(shí)，它可作為天線使用。因?yàn)樘峁┙o天線的電能被發(fā)射到空間內(nèi)，所以該條件被稱(chēng)為“諧振”。

圖2. 偶極天線基礎(chǔ)

如圖2所示，導(dǎo)體的波長(zhǎng)為λ/2，其中λ為電信號(hào)的波長(zhǎng)。信號(hào)發(fā)生器通過(guò)一根傳輸線(也稱(chēng)為天線饋電)在天線的中心點(diǎn)為其供電。按照這個(gè)長(zhǎng)度，將在整個(gè)導(dǎo)線上形成電壓和電流駐波，如圖2所示。

輸入到天線的電能被轉(zhuǎn)換為電磁輻射，并以相應(yīng)的頻率輻射到空中。該天線由天線饋電供電，饋電的特性阻抗為50Ω，并且輻射到特性阻抗為377Ω的空間中。

因此，對(duì)于天線的幾何形狀，有兩個(gè)非常重要的事項(xiàng)需要注意：

a.天線長(zhǎng)度

b.天線饋電

c. 接地層和回流路徑的形狀和尺寸

長(zhǎng)度為λ/2的天線(如圖2所示)被稱(chēng)為偶極天線。但在印刷電路板中，大多作為天線使用的導(dǎo)體長(zhǎng)度僅為λ/4，但仍具有相同的性能。請(qǐng)參見(jiàn)圖3。

通過(guò)在導(dǎo)體下方一定距離的位置上放置接地層，可以創(chuàng)建與導(dǎo)體長(zhǎng)度相同的鏡像(λ/4)。被組合在一起時(shí)，這些引腳作為偶極天線使用。這種天線被稱(chēng)為四分之一波長(zhǎng)(λ/4)天線。

PCB上幾乎所有的天線都按銅制接地層上四分之一波長(zhǎng)的尺寸實(shí)現(xiàn)。請(qǐng)注意，該信號(hào)現(xiàn)在是單端饋電，同時(shí)接地層作為返回路徑使用。

圖3. 四分之一波長(zhǎng)天線

天線類(lèi)型

如前部分所述，在自由空間中裸露的波長(zhǎng)為λ/4的所有導(dǎo)體被放在一個(gè)接地層上，并為其提供合適的電壓，那么該導(dǎo)體可以作為一個(gè)天線使用。根據(jù)不同的波長(zhǎng)，天線可能與汽車(chē)的FM天線一樣長(zhǎng)，也可能與信號(hào)浮標(biāo)上的走線一樣短。對(duì)于2.4GHz的應(yīng)用，大部分PCB天線都屬于下面的類(lèi)型：

1.導(dǎo)線天線：這是在PCB上延長(zhǎng)到自由空間中的一段導(dǎo)線，它的長(zhǎng)度為λ/4，并被放置在接地層上。這種天線是由50Ω阻抗的傳輸線供電的。通常，該導(dǎo)線天線提供的性能和輻射范圍最好。該導(dǎo)線可以是直線、螺旋或是回路的。它是一個(gè)三維(3D)的結(jié)構(gòu)，其中天線高出PCB4-5mm，并伸出到空間內(nèi)。

圖4.導(dǎo)線天線