2.4G-天线设计指南(原理、设计、布局、性能、调试).docx

2.4G 天线设计完整指南〔原理、设计、布局、性能、调试〕2023-09-07 知明而行 q... 转自 孤城夜影修改 共享：本文章使用简洁的术语介绍了天线的设计状况，并推举了两款经过测试的低本钱 PCB 天线这些 PCB 天线能够与 PRoC?和 PSoC?系列中的低功耗蓝牙(BLE)解决方案协作使用为了使性能最正确，PRoC BLE 和 PSoC4 BLE2.4GHz 射频必需与其天线正确匹配本应用笔记中最终局部介绍了如何在最终产品中调试天线1、简介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本钱、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一样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正确实践、布局指南以及天线调试程序，并给出了使用给定电量所猎取的最宽波段图 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放射更多的能量，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)可以在微小的辐射条件下工作最正确天线可以降低 PER，并提高通信质量PER 越低，发生重传输的次数也越少，从而可以节约电池电量2、天线原理天线一般指的是暴露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，它可作为天线使用由于供给应天线的电能被放射到空间内，所以该条件被称为“谐振”1图 2. 偶极天线根底如图 2 所示，导体的波长为 λ/2，其中 λ 为电信号的波长信号发生器通过一根传输线(也称为天线馈电)在天线的中心点为其供电依据这个长度，将在整个导线上形成电压和电流驻波， 如图 2 所示输入到天线的电能被转换为电磁辐射，并以相应的频率辐射到空中该天线由天线馈电供电， 馈电的特性阻抗为 50Ω，并且辐射到特性阻抗为 377Ω 的空间中因此，对于天线的几何外形，有两个格外重要的事项需要留意： 1.天线长度2.天线馈电长度为 λ/2 的天线(如图 2 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，但仍具有一样的性能。

请参见图 3通过在导体下方确定距离的位置上放置接地层，可以创立与导体长度一样的镜像(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 上几乎全部的天线都按铜制接地层上四分之一波长的尺寸实现请留意，该信号现在是单端馈电，同时接地层作为返回路径使用图 3. 四分之一波长天线对于大多数 PCB 中使用的四分之一波长天线，需要特别留意：1. 天线长度2. 天线馈电3. 接地层和回流路径的外形和尺寸3、天线类型如前局部所述，在自由空间中暴露的波长为 λ/4 的全部导体被放在一个接地层上，并为其供给适宜的电压，那么该导体可以作为一个天线使用依据不同的波长，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一样短对于 2.4GHz 的应用，大局部 PCB 天线都属于下面的类型：1. 导线天线：这是在 PCB 上延长到自由空间中的一段导线，它的长度为 λ/4，并被放置在接地层上这种天线是由 50Ω 阻抗的传输线供电的通常，该导线天线供给的性能和辐射范围最好该导线可以是直线、螺旋或是回路的它是一个三维(3D)的构造，其中天线高出 PCB4-5mm，并伸出到空间内。

图 4.导线天线2. 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)构造形式存在;请参见图 5当暴露到空间外的 3D 天线被放置到 PCB 层上作为 2D 的 PCB 走线时，必需遵循确定的指南一般状况下，与导线天线相比，它需要的 PCB 空间更大，效率也低，但本钱低，并且可以给 BLE 应用供给可接收的无线距离图 5. PCB 天线3. 芯片天线：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 天线时有关芯片天线的信息，请参见以以下图想要了解各种天线的尺寸比照，请参见表 4图 6.芯片天线4、天线选择天线的选择取决于其应用、可用电路板的尺寸、本钱、辐射范围以及方向性等因素蓝牙低功耗(BLE)应用(比方无线鼠标)只需要 10 英寸的辐射范围和几 kbps 的数据速率。

然而， 对于承受语音识别的遥控应用，则需要一个室内设置天线，该天线的辐射范围或许为 10-15 英寸，并且其数据速率为 64kbps对于无线音频应用，需要分集天线分集天线是指：将两根天线放置在同一个PCB 上，这样可以保证最少有一根天线始终能够接收某些辐射，而另一根天线则可能会因反射和多路径衰弱而被遮住在传输实时音频数据并需要较高的吞吐量而不会丧失数据包的状况下，需要用到分集天线也可以将它用在信标应用中，进展室内定位5、天线参数下面局部供给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)一个抱负的天线会放射全部功率，不会产生任何反射公式 1 Return Loss〔dB〕= 10 log〔Pincident/Preflect〕假设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。

依据阅历估量，假设回波损耗≥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展放射图 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承受的整个频带上，即在BLE 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，承受的带宽为 200MHz 左右§ 辐射效率：指的是非反射功耗中的一局部(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放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全部方向进展等效放射但大多数天线都达不到这个抱负的性能。

欲了解具体说明，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)进展测量正如所料的状况，获得的轮廓图像并不是圆形的，由于该天线不是各向同性的图 9.辐射方向图§ 增益：增益供给了所承受方向的辐射与各向同性天线(即可从全部方向进展放射)进展比照的信息增益单位为 dBi，即表示在与一个抱负的无方向性天线进展比照时辐射的场强6、赛普拉斯 PRoC/PSoCBLE 的天线设计 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展调整调试过程需要确保在某个频带内进展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 50ΩPRoC/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展调整对于射频范围较小的低数据速率应用，赛普拉斯所推举的 PCB 天线不需要通过任何组件来调成天线。

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展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展调整过程，剩下的两个保持待用状态此外，赛普拉斯PRoC/PSoC 还供给了不同的应用，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格外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 的低本钱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 天线赛普拉斯推举使用两种专有的 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，可将它用于几乎全部的 BLE 应用中赛普拉斯专有的 PCB 天线赛普拉斯推举使用 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。

这些天线既廉价又简洁设计，这是由于它们是PCB 的组成局部，并且能够在150 至 250MHz 的频段范围内供给良好的性能建议将 MIFA 天线使用在仅需微小的 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 天线下面各节将具体介绍每种天线的信息蛇形倒 F 天线(MIFA)MIFA 是一种一般的天线，被广泛地使用在各个人机接口设备(HID)中，由于它占用的 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供给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 显示的是所推举的 MIFA。