天線設計的主要知識點

這份指南用簡單的術語解釋了天線設計，并提供了射頻組件選擇、匹配網絡設計和布局設計的指南。本應用筆記還推薦了兩種經過賽普拉斯測試的 PCB 天線，它們可以以非常低的成本實現，用于與賽普拉斯 PSoC 和 PRoC 系列中的低功耗藍牙 (BLE) 解決方案一起使用。PRoC BLE、PSoC 4 BLE 和 PSoC 6 BLE 2.4-GHz 無線電必須與其天線仔細匹配，以獲得最佳性能。

我們一起簡單瀏覽一遍該指南的主要知識點。

天線設計和射頻布局是無線系統中的關鍵組件，它負責發送和接收來自空中的電磁輻射。終端客戶從某個 RF 產品 (如電量有限的硬幣型電池) 獲得的無線射程主要取決于天線的設計、外殼以及良好的 PCB 布局。對于芯片和電源相同但布局和天線設計實踐不同的系統，它們的 RF (射頻) 范圍有較大變化也是正常的。本應用筆記介紹了最佳實踐、布局指南以及天線調試程序，并給出了使用給定電量所獲取的最寬波段。射頻跟蹤、電源解耦、通路孔、PCB 層疊、以及天線與接地的總體布局注意事項也進行了討論。應用筆記也詳細介紹了射頻無源器件 (如電感器和電容器) 的選擇。每個主題以提示或與主題相關的設計項目的檢查表結尾。

Figure 1 示出了在發射機 (TX) 和接收機 (RX) 上的無線系統的關鍵部件。

設計優良的天線可以擴大無線產品的工作范圍。從無線模塊發送的能量越大，在已給的數據包錯誤率 (PER) 以及接收器靈敏度固定的條件下，傳輸的距離也越大。類似地，接收器側的調諧良好的無線電可以在天線上在極小的輻射條件下工作。RF 布局連同無線匹配網絡需要被正確設計，以確保大部分來自射頻的功率到達天線，反之亦然。

天線原理

天線一般指的是裸露在空間內的導體。該導體的長度與信號波長1成特定比例或整數倍時，它可作為天線使用。因為提供給天線的電能被發射到空間內，所以該條件被稱為“諧振”。

如 Figure 2 所示，導體的波長為Lambda/2，其中Lambda為電信號的波長。信號發生器通過一根傳輸線 (也稱為天線饋電) 在天線的中心點為其供電。按照這個長度，將在整個導線上形成電壓和電流駐波，如 Figure 2 所示。輸入到天線的電能被轉換為電磁輻射，并以相應的頻率輻射到空中。該天線由天線饋電供電，饋電的特性阻抗為 50 Ω，并且輻射到特性阻抗為 377 Ω 的空間中。因此，對于天線的幾何形狀，有兩個非常重要的事項需要注意：1. 天線長度2. 天線饋電長度為Lambda/2 的天線 (如 Figure 2 所示) 被稱為偶極天線。但在印刷電路板中，大多作為天線使用的導體長度僅為Lambda/4，但仍具有相同的性能。請參見 Figure 3。通過在導體下方一定距離的位置上放置接地層，可以創建與導體長度相同的鏡像 (Lambda/4)。被組合在一起時，這些引腳作為偶極天線使用。這種天線被稱為四分之一波長 (Lambda/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的尺寸實現。請注意，該信號現在是單端饋電，同時接地層作為返回路徑使用.。

對于大多數 PCB 中使用的四分之一波長天線，需要特別注意：1. 天線長度2. 天線饋電3. 接地層和回流路徑的形狀和尺寸。

天線類型

如前部分所述，在自由空間中裸露的波長為Lambda/4 的所有導體被放在一個接地層上，并為其提供合適的電壓，那么該導體可以作為一個天線使用。根據不同的波長，天線可能與汽車的 FM 天線一樣長，也可能與信號浮標上的走線一樣短。對于 2.4 GHz 的應用，大部分 PCB 天線都屬于下面的類型：

1. 導線天線：這是在 PCB 上延長到自由空間中的一段導線，它的長度為Lambda/4，并被放置在接地層上。這種天線是由50-Ω 阻抗的傳輸線供電的。通常，由于尺寸和三個維度的暴露，該導線天線提供的性能和輻射范圍最好。該導線可以是直線、螺旋或是回路的。它是一個三維 (3D) 的結構，其中天線高出 PCB 4-5mm，并伸出到空間內。

2. PCB 天線：它是 PCB 上的一根 PCB 走線，并且可以將其畫成直線形走線、反轉的 F 形走線、蛇形或圓形走線、或基于天線類型和空間限制的擺動曲線等。在一個 PCB 天線中，天線在 PCB 的同一平面上變成二維 (2D) 結構;見 Figure 5。當裸露到空間外的 3D 天線被放置到 PCB 層上作為 2D 的 PCB 走線時，必須遵循一定的指南。一般情況下，與導線天線相比，它需要的 PCB 空間更大，效率也低，但成本低，并且容易制造和可以給 BLE 應用提供可接受的無線距離。

3. 芯片天線：這是一種帶有導體的天線，天線和導體都被組裝在小型的 IC 封裝中。當印刷 PCB 天線的空間有限或支持 3D 導線天線時，這非常有用。請參閱 Figure 6 了解包含芯片天線的藍牙模塊。下面給出了天線和模塊的大小與1 美分硬幣的比較。

天線的選型

天線的選擇取決于其應用、可用電路板的尺寸、成本、輻射范圍以及方向性等因素。藍牙低功耗 (BLE) 應用 (比如無線鼠標) 只需要 10 英尺的輻射范圍和幾 kbps 的數據速率。然而，對于采用語音識別的遙控應用，則需要一個室內設置天線，該天線的輻射范圍大概為 20 英尺，并且其數據速率為 64 kbps。

天線參數

下面部分提供了天線性能的某些關鍵參數。

回波損耗：天線的回波損耗表示天線如何與阻抗為 50 ?的傳輸線 (TL) 實現匹配，將其顯示為 Figure 7 中的信號饋送。通常，這個 TL 的阻抗值為 50 Ω，但也可以是其他數值。對于工業標準，商業天線和它的測試設備的電阻為50 Ω，因此建議您最好使用該值?；夭〒p耗顯示：由于不匹配，天線反射的入射功率大小 (公式 1)。一個理想的天線會發射全部功率，不會產生任何反射。如果該回波損耗是無限的，則認為天線與 TL 完全匹配，如 Figure 7 所示。S11是回波損耗的倒數，其單位為 dB。大多數情況下，如果回波損耗 ≥ 10 dB (即 S11 ≤ –10 dB)，便足夠大。Table 1 顯示了天線的回波損耗 (dB) 與反射功率 (%)?；夭〒p耗為 10 dB 時，表示 90%的入射功率被傳給天線以進行發射。

帶寬：是指天線的頻率響應。它表示在采用的整個頻帶上，即在 BLE 應用的 2.40 GHz 至 2.48 GHz 的范圍內，該天線與 50 Ω 的傳輸線如何相互匹配。

如 Figure 8 所示，在 2.33 GHz 至 2.55 GHz 的帶寬上，回波損耗大于 10 dB。因此，采用的帶寬為 200 MHz 左右。在大多數情況下，更寬的帶寬是首選，因為它可以最大限度地減少產品在實際使用中天線周圍環境變化引起的失諧效應 (例如放置在木材/金屬/塑料桌上的鼠標，鼠標周圍的手等)。)

輻射效率：指的是非反射功耗中的一部分 (請參見 Figure 7) 被消耗為天線中的熱量。產生熱量是由于 FR4 基板中的介電損耗以及銅線中的導體損耗造成的。該信息作為輻射效率。輻射效率為 100%時，全部非反射的功耗都被發射到空間內。對于小型的 PCB 外形因素，熱耗最小。

輻射圖型：該圖型表示輻射的方向性，即表示在哪個方向上的輻射更大，哪個方向上的輻射更小。這有助于在應用中準確地確定天線的方向

無方向性天線可以按與軸線相垂直的平面上所有方向進行等效發射。但大多數天線都達不到這個理想的性能。欲了解詳細說明，請參看 Figure 9 中所示的 PCB 天線的輻射圖。每個數據點都代表 RF 場強，可以通過接收器中用于接收信號強度的指示器 (RSSI) 進行測量。正如所料的情況，獲得的輪廓圖像并不是圓形的，因為該天線不是各向同性的。