新闻中心

EEPW首页 > 设计应用 > 天线设计指南(上)

天线设计指南(上)

作者:Tapan Pattnayak时间:2016-03-18来源:电子产品世界收藏

  天线参数

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/201603/288481.htm

  下面部分提供了天线性能的某些关键参数。

  § 回波损耗:天线的回波损耗表示天线如何与阻抗为50Ω的传输线(TL)实现匹配,将其显示为图7中的信号馈送。通常,这个TL的阻抗值为50Ω,但也可以是其他数值。对于工业标准,商业天线和它的测试设备的电阻为50Ω,因此建议您最好使用该值。

  回波损耗指出:由于不匹配,天线反射的入射功率大小(公式1)。一个理想的天线会发射全部功率,不会产生任何反射。

  如果该回波损耗是无限的,则认为天线与TL完全匹配,如图7所示。S11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。表1显示了天线的回波损耗(dB)与反射功率(%)。回波损耗为10dB时,表示90%的入射功率被传给天线以进行发射。

  图7.回波损耗

  表1.天线的回波损耗及反射功率

  § 带宽:是指天线的频率响应。它表示在采用的整个频带上,即在应用的2.40GHz至2.48GHz的范围内,该天线与50Ω的传输线如何相互匹配。

  图8.带宽

  如图8所示,在2.33GHz至2.55GHz的带宽上,回波损耗大于10dB。因此,采用的带宽为200MHz左右。

  § 辐射效率:指的是非反射功耗中的一部分(请参见图7)被消耗为天线中的热量。产生热量是由于FR4基板中的介电损耗以及铜线中的导体损耗造成的。该信息作为辐射效率。辐射效率为100%时,全部非反射的功耗都被发射到空间内。对于小型的PCB外形因素,热耗最小。

  § 辐射图型:该图型表示辐射的方向性,即表示在哪个方向上的辐射更大,哪个方向上的辐射更小。这有助于在应用中准确地确定天线的方向。

  无方向性天线可以按与轴线相垂直的平面上所有方向进行等效发射。但大多数天线都达不到这个理想的性能。欲了解详细说明,请参看图9中所示的PCB天线的辐射图。每个数据点都代表RF场强,可以通过接收器中用于接收信号强度的指示器(RSSI)进行测量。正如所料的情况,获得的轮廓图像并不是圆形的,因为该天线不是各向同性的。

  图9.辐射方向图

  § 增益:增益提供了所采用方向的辐射与各向同性天线(即可从所有方向进行发射)进行对比的信息。增益单位为dBi,即表示在与一个理想的无方向性天线进行对比时辐射的场强。

  赛普拉斯PRoC/PSoC的天线

  设计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。当天线的输入阻抗为50Ω,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的阻抗等于50Ω。对于芯片来说,Balun(平衡器)调整过程可保证电阻接近50Ω。

  PRoC/PSoCBLE器件中集成平衡器的阻抗并不等于50Ω,所以可能需要通过两个组件对其进行调整。对于射频范围较小的低数据速率应用,赛普拉斯所推荐的PCB天线不需要通过任何组件来调整天线。

  对于高数据速率的应用(如通过遥控器的声音识别应用),建议至少需要使用四个组件进行匹配网络。其中两个用于平衡器调整,其余两个用于天线调整。可使用其中两个进行调整过程,剩下的两个保持待用状态。

  此外,赛普拉斯PRoC/PSoC还提供了不同的应用,如室内定位、智能家居、智能电器以及传感器集线器。这些应用可能不受空间的限制,因此,可以针对射频范围和射频方向图等因素为这些应用设计更好的天线。导线天线非常适合非穿戴式但位置固定的应用。

  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。

  虽然使用2.4GHz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。

  但您也可以从本文档中选出任何一款符合您的应用要求的天线。

  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。


上一页 1 2 下一页

关键词: 天线设计 BLE

评论


相关推荐

技术专区

关闭