【经典】全流程的24G天线设计指南

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来源:十博10bet体育官网 作者:bet十博体育app 2022-08-04 18:31:05

  本文章使用简单的术语介绍了天线的设计情况,并推荐了两款经过测试的低成本PCB天线。

  这些PCB天线能够低功耗蓝牙(BLE)解决方案配合使用。为了使性能最佳,BLE2.4GHz射频必须与其天线正确匹配。

  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。

  天线一般指的是在空间内的导体。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”。

  长度为λ/2的天线所示)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。

  如前部分所述,在自由空间中的波长为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GHz的应用,大部分PCB天线都属于下面的类型:

  图4.导线. 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. PCB天线.芯片天线(陶瓷天线):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的纳米收发器等应用会使用这种天线,当PCB上没有足够的空间来布局PCB天线时。

  公式1 Return Loss(dB)= 10 log(Pincident/Preflect)如果该回波损耗是无限的,则认为天线是回波损耗的倒数,其单位为dB。根据经验估计,如果回波损耗≥10dB(既S11≤–10dB),便足够大。

  设计BLE的一个受限因素便是需要在一个紧凑的空间中集成天线,并且最多只能使用两个外部组件进行调整。调试过程需要确保在某个频带内进行传输时应尽可能保持传入天线的能量。这便意味着,所需带段中的回波损耗要大于10dB。当天线Ω,并且芯片输出阻抗为50Ω时,天线收到的能量最大。天线作为接收端时,也要满足上述条件。对于天线来说,它的调整过程能够确保天线Ω。对于芯片来说,Balun(平衡器)调整过程可保证电阻接近50Ω。

  很多应用直接在其主PCB中嵌入了赛普拉斯的该类模块,用以实现无线连接。这些应用要求通过FCC的低成本小型模块。这时可以使用满足这些要求的芯片天线(陶瓷天线GHz频段的应用很多,但大多数BLE应用仅使用了下面介绍的双PCB天线。赛普拉斯推荐使用两种专有的PCB天线、蛇形倒F天线(MIFA)和倒F形天线(IFA),它们是针对BLE应用而特性化和广泛模拟的天线。特别是MIFA,可将它用于几乎所有的BLE应用中。

  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。

  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PCB,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。

  底层(RF接地层)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)。图17将典型的双层PCB的“PCB厚度”的概念与“F”值联系起来。

  图19显示的是IFA在XY平面上的定性辐射图。在为客户应用设置IFA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。为了便于观察,图中只显示了定性辐射的方向。有关所有XY、YZ、ZX平面上详细的辐射图,请联系赛普拉斯的技术支持。

  对于PCB尺寸非常小的利基应用(例如蓝牙收发器),芯片天线(陶瓷天线)不失为一种很好的办法(图20)。它们是现成的天线,占用的PCB空间最小,并且能够提供较好的性能。但芯片天线增加了材料清单(BOM),并需要装配费用。因为它要求订购和装配外部组件。通常,芯片天线美分,具体价格取决于尺寸和性能。

  赛普拉斯只推荐将芯片天线使用在要求PCB空间极小的特定应用中,例如:Nano蓝牙收发器或超小的模块。对于这些应用,赛普拉斯也建议使用含有约翰森技术的2450AT42B100E芯片天线E相比,它的尺寸更大,射频性能更好,并且需要较小的Gnd间距。介绍翰森技术天线的内容仅供参考。更多有关2.4GHz芯片天线的信息,请向各供应商索取,如Murata、Vishay等。

  对于要求小外形天线的BLE应用,不建议使用这种天线,因为它会占用较大空间和垂直高度。但如果有足够的空间,那么这种天线可实现最佳的射频范围、方向性以及辐射方向图等性能。

  通常消费类产品中所使用的天线对PCB射频接地层的大小和产品的塑料外壳非常敏感。可将天线模拟为一个LC谐振器,当L(电感)或C(电容)增加时,该LC谐振器的谐振频率会下降。更大的射频接地层和塑料外壳会增大有效电容,从而降低谐振频率。

  赛普拉斯已经广泛地研究了射频接地层的大小和附近塑料外壳对天线谐振频率产生的影响。通过实验和测量证明,赛普拉斯可以确定天线的灵敏度并提供一个既简单强大,又有效的解决方法,以便调试天线。

  要想评估天线对射频接地层大小的灵敏度,可以通过在各种可能尺寸的PCB上安装天线显示的是MIFA被放置在接地层大小不同的PCB上的示例。PCB的尺寸范围为20mm×20mm至50mm×50mm。

  通过该曲线可以了解到,射频接地层的面积越大,那么谐振频率越低,并且接地层也越好,因此回波损耗也会越小。这便是好的PCB布局中的关键条件。给四分之一波长的天线提供的接地层越好,它与理论性能的关系也会越好。这是进行天线设计中的关键概念,可以解决没有足够空间提供给接地小型模块天线

  同样,为确定产品的塑料外壳对天线的影响,要使用一个无线所示。将赛普拉斯MIFA放置在无线鼠标的塑料外壳中,然后测量该天线的谐振频率。

  § 谐振频率的变化范围为100MHz至200MHz。必须重新调试天线才能获得所需频带。

  § 必须确保在天线末梢或天线长度范围附近不能有任何组件、固定螺钉或接地层。§ 电池线或音频线不能穿过天线或PCB上天线布线的同一侧面。

  § 应该具有足够的空间:接地层越大,MIFA、IFA、芯片天线参数值(回波损耗)会越高。

  § 必须确保在天线末梢或天线长度范围附近不能有任何组件、固定螺钉或接地层。

  § 不能将金属外壳完全覆盖天线。如果产品外壳是金属的或是一个保护罩,请不要将外壳完全覆盖掉天线。

  § 天线的方向应该符合最终产品的方向,这样使天线在所需的方向上具有最大的辐射。

  § 应该具有足够的空间:接地层越大,MIFA、IFA、芯片天线参数值(回波损耗)会越高。

  § 天线正下方不应该存在任何接地层。请参考图14。这个设置适用于所有天线。§ 从天线到接地层要有足够的空间(间隙),该接地层的宽度应该最小。请参考图10、图15和图21。

  天线调试过程确保在所需频带中,天线的回波损耗(从芯片输出的方向来看)大于10dB。同样,对于芯片(Balun),要执行相同的程序,用以确保在接受模式下,Balun的阻抗为50Ω。这时天线调试和Balun调试均被称为天线.调试和匹配网络的参考图

  0Ω参考点被连接至具有一个端口网络的网络分析仪。进行天线调试期间,通过移除Balun匹配组件可以断开同芯片的连接。进行Balun调试期间,会断开同天线匹配组件的连接。

  以下章节将详细说明如何使用网络分析仪来调试天线。虽然这里仅显示了一个Pioneer套件无线鼠标的调试程序,不过该程序适用于所有天线调试。

  使用网络分析仪来检查天线调试。在第一个步骤中,先校准该网络分析仪,然后通过调整匹配网络组件和验证Smith图表中的调试进行天线调试。

  3.PCB空板调试。如同图中所示,标志1、2和3的回波损耗大于15db。

  该步骤非常重要,因为同轴线dB。尽量使同轴线缆屏蔽的接地连接靠近传输线返回路径。请执行以下操作:

  2.使同轴线缆接近芯片的射频输出引脚。断开芯片连接。否则,不仅仅是天线,就连Balun也会连接到同轴线.请确保,有一个接地层靠近同轴线缆头。将线缆的屏蔽或外壳接地。将该屏蔽/外壳接地时,尽量缩短它与地面间的距离。该距离越小,调试准确度就越高。根据同轴线缆接地的位置,回波损耗测量的差值可为3dB。

  1.打开塑料外壳,去掉电池或断开供电电源。2.使同轴线缆接近芯片的射频输出引脚。断开芯片连接。否则,不仅仅是天线,就连Balun也会连接到同轴线.请确保,有一个接地层靠近同轴线缆头。将线缆的屏蔽或外壳接地。将该屏蔽/外壳接地时,尽量缩短它与地面间的距离。该距离越小,调试准确度就越高。根据同轴线缆接地的位置,回波损耗测量的差值可为3dB。

  7.连接至“broadband”加载,并按下measurestandard。然后网络分析仪会计算系数,并将50Ω加载显示为Smith图表上明确标记为50,0的参考点。

  8.通过按下‘scale’按键并正确设置电气延迟,可调试同轴线缆和设置电气延迟。

  4.按下cal(校准)按键,选择网络分析仪上的S11并将其设为用户1端口校准。

  7.连接至“broadband”加载,并按下measurestandard。然后网络分析仪会计算系数,并将50Ω加载显示为Smith图表上明确标记为50,0的参考点。8.通过按下‘scale’按键并正确设置电气延迟,可调试同轴线缆和设置电气延迟。

  图30.仅针对天线.确定天线的阻抗后,通过执行阻抗转换使用拓扑使天线Ω。赛普拉斯MIFA或IFA的大部分匹配网络(图31所示)是由两个组件构成的。

  可以使用标准的开源工具(如Bern研究院的SmithV3.10)对匹配网络组件进行仿线nH的串联电感连接到天线,可以将天线Ω,,从而能够在所需的频带中去除虚拟部分。由于准确值不可用,因此我们要选择一个0.5pF的并联电容和一个3.6nH的串联电感。

  图32.在Smith图表中转换为50Ω以下显示的是匹配网络的最终原理图。ZL表示阻抗为0欧姆时天线的阻抗。Zin指的是输出阻抗为50欧姆时网络分析仪观察到的阻抗。

  图中也显示了频率分别为2402MHz、2440MHz和2480MHz的标志1、2和3接近Smith图表上的(50,0)点。显示的是一个良好的匹配。

  PCB的塑料外壳更改了天线调整。所有天线均受到近场或远场物体的影响。如果是一个窄带天线,它受近场物体的影响几率非常大。

  塑料外壳和附近移动的电池线G的优选频带内它的回波损耗会低于10db。因此,调试PCB空板后,需要使PCB保持在塑料外壳内,并使用鼠标重新检测调试。这样操作很复杂,尤其是还要将同轴电缆引出塑料装配外。

  通过在ID内钻出一小孔,可以将该同轴电缆引出去。最后使用塑料外壳或将一只手放在塑料外壳上面(如同用户使用鼠标时)进行检查调试效果。所观察到的回波损耗的影响最小。图37 使用塑料装置时的SmithChart, 连接到ID的图表

  本应用笔记简单介绍了如何使用PRoCBLE/PSoCBLE轻松设计自定义产品的最佳天线。同时也提供了针对不同天线类型所需要的天线布局指南。

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