姓名：劉軒 學(xué)號(hào)：19020100412? ?學(xué)院：電子工程學(xué)院

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【嵌牛導(dǎo)讀】天線設(shè)計(jì)的相關(guān)技術(shù)知識(shí)

【嵌牛鼻子】天線設(shè)計(jì) 原理

【嵌牛提問】天線設(shè)計(jì)在理論上是否還能繼續(xù)優(yōu)化枚抵？

【嵌牛正文】

賽普拉斯 PRoC/PSoCBLE 的天線　

設(shè)計(jì) BLE 的一個(gè)受限因素便是需要在一個(gè)緊湊的空間中集成天線渗饮，并且最多只能使用兩個(gè)外部組件進(jìn)行調(diào)整竞滓。調(diào)試過程需要確保在某個(gè)頻帶內(nèi)進(jìn)行傳輸時(shí)應(yīng)盡可能保持傳入天線的能量。這便意味著杨刨，所需帶段中的回波損耗要大于 10dB。當(dāng)天線的輸入阻抗為 50Ω，并且芯片輸出阻抗為 50Ω時(shí)，天線收到的能量最大。天線作為接收端時(shí)斩松，也要滿足上述條件伶唯。對(duì)于天線來說，它的調(diào)整過程能夠確保天線的阻抗等于 50Ω惧盹。對(duì)于芯片來說乳幸，Balun(平衡器)調(diào)整過程可保證電阻接近 50Ω瞪讼。

PRoC/PSoCBLE 器件中集成平衡器的阻抗并不等于 50Ω，所以可能需要通過兩個(gè)組件對(duì)其進(jìn)行調(diào)整粹断。對(duì)于射頻范圍較小的低數(shù)據(jù)速率應(yīng)用符欠，賽普拉斯所推薦的 PCB 天線不需要通過任何組件來調(diào)整天線。

對(duì)于高數(shù)據(jù)速率的應(yīng)用(如通過遙控器的聲音識(shí)別應(yīng)用)瓶埋，建議至少需要使用四個(gè)組件進(jìn)行匹配網(wǎng)絡(luò)希柿。其中兩個(gè)用于平衡器調(diào)整，其余兩個(gè)用于天線調(diào)整养筒≡罚可使用其中兩個(gè)進(jìn)行調(diào)整過程，剩下的兩個(gè)保持待用狀態(tài)晕粪。

此外挤悉，賽普拉斯 PRoC/PSoC 還提供了不同的應(yīng)用，如室內(nèi)定位巫湘、智能家居装悲、智能電器以及傳感器集線器。這些應(yīng)用可能不受空間的限制尚氛，因此诀诊，可以針對(duì)射頻范圍和射頻方向圖等因素為這些應(yīng)用設(shè)計(jì)更好的天線。導(dǎo)線天線非常適合非穿戴式但位置固定的應(yīng)用怠褐。

很多應(yīng)用直接在其主 PCB 中嵌入了賽普拉斯的該類模塊畏梆，用以實(shí)現(xiàn)無線連接。這些應(yīng)用要求通過 FCC 的低成本小型模塊奈懒。這時(shí)可以使用滿足這些要求的芯片天線（陶瓷天線）奠涌。

雖然使用 2.4GHz 頻段的應(yīng)用很多，但大多數(shù) BLE 應(yīng)用僅使用了下面介紹的雙 PCB 天線磷杏。賽普拉斯推薦使用兩種專有的 PCB 天線溜畅、蛇形倒 F 天線(MIFA)和倒 F 形天線(IFA)，它們是針對(duì) BLE 應(yīng)用而特性化和廣泛模擬的天線极祸。特別是 MIFA慈格，可將它用于幾乎所有的 BLE 應(yīng)用中。

賽普拉斯專有的 PCB 天線

賽普拉斯推薦使用 IFA 和 MIFA 這兩種 PCB 天線遥金。BLE 應(yīng)用中的低速率和典型的輻射圍范使這兩種天線特別有用浴捆。這些天線既便宜又容易設(shè)計(jì)，這是因?yàn)樗鼈兪?PCB 的組成部分稿械，并且能夠在 150 至 250MHz 的頻段范圍內(nèi)提供良好的性能选泻。

建議將 MIFA 天線使用在僅需極小的 PCB 空間的應(yīng)用中，如無線鼠標(biāo)、鍵盤页眯、演示機(jī)等等梯捕。對(duì)于 IFA 天線，建議將其應(yīng)用在要求天線一側(cè)的尺寸遠(yuǎn)小于另一側(cè)的尺寸的應(yīng)用中窝撵，如心率監(jiān)視器傀顾。大多數(shù) BLE 應(yīng)用中使用的是 MIFA 天線。下面各節(jié)將詳細(xì)介紹每種天線的信息碌奉。

蛇形倒 F 天線(MIFA)

MIFA 是一種普通的天線短曾，被廣泛地使用在各個(gè)人機(jī)接口設(shè)備(HID)中，因?yàn)樗加玫?PCB 空間較小道批。因此賽普拉斯已設(shè)計(jì)出一種結(jié)實(shí)的 MIFA 天線错英，而它能在較小的波形系數(shù)中提供優(yōu)越的性能。該天線的尺寸為 7.2mm×11.1mm(相當(dāng)于 284 密耳×437 密耳)隆豹，因此它很適合于各種 HID 的應(yīng)用椭岩，例如無線鼠標(biāo)、鍵盤或演示機(jī)等璃赡。圖 10 顯示的是所推薦的 MIFA 天線的詳細(xì)布局判哥，其中包含了雙層 PCB 的頂層和底層。這種天線的跡線寬度均為 20 密耳碉考∷疲“W”的值是可改變的主要參數(shù)，它取決于 PCB 堆棧間隔侯谁，它表示 RF 走線(傳輸線)的寬度锌仅。

圖 10 MIFA 布局

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天線饋電的考量

表 2 顯示的是雙層 FR4PCB 頂層和底層間厚度的“W”值(相應(yīng)的介電常數(shù)為 4.3)。頂層包含了天線走線;而底層則是包含了固態(tài) RF 接地層的下一層墙贱。底層的余下 PCB 空間可以作為信號(hào)接地層使用(針對(duì) PRoC/PSoC 和其他電路)热芹。圖 11 顯示的是典型的雙層 PCB 厚度的“W”值。

表 2.FR4PCB 的“W”值：天線層與相鄰射頻的接地層間的厚度惨撇。

圖 11.PCB 厚度的 W 值

對(duì)于為天線饋電更短的 PCB 走線伊脓，這樣的寬度要求是比較寬松的。要確保天線走線的寬度和天線饋電接點(diǎn)的寬度相同魁衙。在圖 12 展示的情況中报腔，天線饋電的走線寬度不是表 2 中所規(guī)定的寬度。

圖 12 .PCB 饋電設(shè)計(jì)

對(duì)于為天線饋電更短的 PCB 走線剖淀，這樣的寬度要求是比較寬松的纯蛾。要確保天線走線的寬度和天線饋電接點(diǎn)的寬度相同。在圖 12 展示的情況中纵隔，天線饋電的走線寬度不是表 2 中所規(guī)定的寬度翻诉。

圖 13.MIFA 的 S11(回波損耗=–S11)

圖 14 顯示的是 MIFA 在 2.44GHz 頻率時(shí)完整的 3D 輻射增益圖帆卓。在給自定義應(yīng)用設(shè)置 MIFA 天線時(shí)，該信息非常有用米丘，有助于在需要的方向上得到最大的輻射。在上面的圖中：MIFA 被放置在 XY 平面上糊啡，Z 軸方向與它垂直拄查。

圖 14.MIFA 的 3D 輻射增益圖

供該輻射圖，可以知道：最大的輻射出現(xiàn)在與 X 軸成 30°角度的圓錐空間內(nèi)棚蓄。這是因?yàn)?MIFA 在 XY 平面上不能保持正橫或正豎的方向堕扶。MIFA 豎向部分和末梢和均參加了輻射，并形成一個(gè)傾斜的輻射圖梭依。

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天線長度的考量

根據(jù) PCB 的不同厚度稍算，需要調(diào)整 MIFA 天線的長度，這樣才能調(diào)整天線輻射的阻抗和頻率選擇役拴。根據(jù)不同的電路板厚度糊探，賽普拉斯提供了下面各天線長度。

圖 15.MIFA 的長度

表 3. 豎向部分和末梢的長度(L_Tip/L_leg)

圖 15 顯示的是兩種適用于兩個(gè)不同電路板厚度的 MIFA 天線河闰。設(shè)計(jì)人員根據(jù)特定的電路板厚度進(jìn)行調(diào)整 MIFA 天線的長度時(shí)科平，請(qǐng)參考表 3。

倒 F 天線(IFA)?

對(duì)于天線的尺寸有一定限制條件的應(yīng)用中(例如心率監(jiān)視器)姜性，推薦您選用這種 IFA瞪慧。圖 16 顯示所推薦的 IFA 的詳細(xì)布局，其中包含了雙層 PCB 中的頂層和底層部念。其走線寬度約為 24mm弃酌。對(duì)于厚度為 1.6mm 的 FR4PCB，IFA 的尺寸被設(shè)計(jì)為 4mm×20.5mm(157.5mils×807mils)儡炼。與 MIFA 相比妓湘，IFA 的寬高比(寬度和高度的比例)更大。

圖 16.IFA 布局

頂層(天線層)

底層(RF 接地層)

饋電走線的寬度“W”受產(chǎn)品中 PCB 堆棧的影響射赛。表 4 根據(jù)頂層(天線層)和底層(相鄰射頻接地層)間不同的 PCB 厚度給 FR4 基板提供了相應(yīng)的“W”值(相應(yīng)的介電常數(shù)為 4.3)多柑。頂層包含天線跡線;而底層則為其緊挨的包含了固態(tài) RF 接地層的下一層。底層上剩余的 PCB 空間可以作為信號(hào)接地平面使用(對(duì)于 PRoC/PSoC 和其他電路)楣责。圖 17 將典型的雙層 PCB 的“PCB 厚度”的概念與“F”值聯(lián)系起來竣灌。

表 4.FR4PCB 的“F”值：天線層與相鄰射頻的接地層間的厚度。

圖 17.PCB 厚度說明

對(duì)于小于 3mm 的短走線秆麸，天線饋電厚度是可以調(diào)整的初嘹。天線饋電的厚度可以與天線走線厚度相同，請(qǐng)參見圖 12沮趣。

IFA 在 220MHz 的帶寬上(S11≤–10dB)的頻率約為 2.44GHz屯烦，如圖 18 中所示。

圖 18.IFA 的 S11(回波損耗=-S11)

圖 19 顯示的是 IFA 在 XY 平面上的定性輻射圖。在為客戶應(yīng)用設(shè)置 IFA 天線時(shí)驻龟，該信息非常有用温眉，有助于在需要的方向上得到最大的輻射。為了便于觀察翁狐，圖中只顯示了定性輻射的方向类溢。有關(guān)所有 XY、YZ露懒、ZX 平面上詳細(xì)的輻射圖闯冷，請(qǐng)聯(lián)系賽普拉斯的技術(shù)支持。

圖 19.IFA 的定性 2D 輻射增益圖

芯片天線（陶瓷天線）

對(duì)于 PCB 尺寸非常小的利基應(yīng)用(例如藍(lán)牙收發(fā)器)懈词，芯片天線（陶瓷天線）不失為一種很好的辦法(圖 20)蛇耀。它們是現(xiàn)成的天線，占用的 PCB 空間最小坎弯，并且能夠提供較好的性能纺涤。但芯片天線增加了材料清單(BOM)，并需要裝配費(fèi)用抠忘。因?yàn)樗笥嗁徍脱b配外部組件洒琢。通常，芯片天線的價(jià)格約為 10-50 美分褐桌，具體價(jià)格取決于尺寸和性能衰抑。

圖 20. 芯片天線

使用芯片天線時(shí)，也應(yīng)考慮另一個(gè)關(guān)鍵因素：它受輻射接地面積的影響荧嵌。所以呛踊，必須遵循廠家對(duì)接地面積的推薦。與 PCB 天線不同啦撮，芯片天線不能通過改變天線長度來調(diào)整谭网。另外需要一個(gè)匹配網(wǎng)絡(luò)才能調(diào)整該天線，因此會(huì)增加更多的材料清單赃春。

賽普拉斯只推薦將芯片天線使用在要求 PCB 空間極小的特定應(yīng)用中愉择，例如：Nano 藍(lán)牙收發(fā)器。對(duì)于這樣的應(yīng)用织中，賽普拉斯建議使用具有約翰森技術(shù)的 2450AT18B100E 芯片天線锥涕，其尺寸為 63milx126mil。

而對(duì)于大部分應(yīng)用狭吼，則建議使用 PCB 天線层坠，如 MIFA 或 IFA。這些小外形(占用空間小)天線不但廉價(jià)刁笙，而且提供的性能非常卓越破花。圖 21 和圖 22 顯示的是具有約翰森技術(shù)的 2450AT42B100E 芯片天線布局指南谦趣。其尺寸為 118milx196mil。更多有關(guān)這些天線的詳細(xì)指南座每，請(qǐng)參考它們相關(guān)的網(wǎng)址前鹅。

圖 21. 具有約翰森技術(shù)的 2450AT42B100E 芯片天線的布局指南

該布局也顯示了 50Ω的饋電傳輸線以及與其相匹配的組件。饋電傳輸線的寬度取決于電路板的厚度峭梳。表 4 中指定了準(zhǔn)確的電路板厚度嫡纠。

圖 22. 與產(chǎn)品網(wǎng)頁中相同的約翰森技術(shù)天線的布局指南。?

芯片天線的性能是由接地層決定延赌。一般來說，它們需要更多的接地面積和更大的空間叉橱。如上圖所示挫以，對(duì)于 2450AT42B100E 的天線，最小的接地距離為 0.8mm窃祝。該間距為 2-3mm 時(shí)掐松，觀察到的 s11 會(huì)更加明顯。

芯片天線不一定是嚴(yán)格等向性的粪小。輻射存在某些優(yōu)先的方向大磺。根據(jù) Gnd 間距和塑料配件，輻射最大的方向也不一樣探膊。有關(guān)約翰森技術(shù)的芯片天線(2450AT42B100E)的常見輻射方向杠愧，請(qǐng)參見圖 23。

圖 23. 芯片天線（陶瓷天線）的輻射圖

賽普拉斯只推薦將芯片天線使用在要求 PCB 空間極小的特定應(yīng)用中逞壁，例如：Nano 藍(lán)牙收發(fā)器或超小的模塊流济。對(duì)于這些應(yīng)用，賽普拉斯也建議使用含有約翰森技術(shù)的 2450AT42B100E 芯片天線腌闯，因?yàn)榕c 2450AT18B100E 相比绳瘟，它的尺寸更大，射頻性能更好姿骏，并且需要較小的 Gnd 間距糖声。介紹翰森技術(shù)天線的內(nèi)容僅供參考。更多有關(guān) 2.4GHz 芯片天線的信息分瘦，請(qǐng)向各供應(yīng)商索取蘸泻，如 Murata、Vishay 等嘲玫。

對(duì)于大部分應(yīng)用蟋恬，建議使用 PCB 天線，如 MIFA 或 IFA趁冈。這些外形小(占用空間小)的天線雖然廉價(jià)歼争，但提供的性能非常卓越拜马。

導(dǎo)線天線

導(dǎo)線天線是傳統(tǒng)的舊式天線，將一條鋁線或一根四分之一波長的回形針固定在 PCB 上面便構(gòu)成了這種天線沐绒，該鋁線或回形針按螺旋形狀安裝在 PCB 上俩莽，然后在距離 PCB5-6mm 的位置與該層并行。

不用再做介紹乔遮，由于它們作為 3D 天線裸露在空氣中扮超，所以它們的射頻性能非常好。這種天線具有最好的信號(hào)范圍和最等向的輻射方向圖蹋肮。導(dǎo)線天線的無線覆蓋范圍可超過 100 英尺出刷。

對(duì)于要求小外形天線的 BLE 應(yīng)用，不建議使用這種天線坯辩，因?yàn)樗鼤?huì)占用較大空間和垂直高度馁龟。但如果有足夠的空間，那么這種天線可實(shí)現(xiàn)最佳的射頻范圍漆魔、方向性以及輻射方向圖等性能坷檩。

圖 24. 導(dǎo)線天線布局

導(dǎo)線天線具有最佳的射頻性能。與其他天線相比改抡，導(dǎo)線天線的天線增益和輻射性能是最好的矢炼。請(qǐng)參考圖 25，了解導(dǎo)線天線的定性輻射方向圖阿纤。

圖 25. 導(dǎo)線天線的定性輻射方向圖

各種天線的比較

請(qǐng)參考表 5句灌，快速為您的應(yīng)用選擇合適的天線。?

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