天线设计指南（上）

      本文章使用简单的术语介绍了天线的设计情况，并推荐了两款经过赛普拉斯测试的低成本PCB天线。这些PCB天线能够与赛普拉斯PRoC™和PSoC®系列中的低功耗蓝牙(BLE)解决方案配合使用。为了使性能最佳，PRoC BLE和PSoC4 BLE2.4GHz射频必须与其天线正确匹配。本应用笔记中最后部分介绍了如何在最终产品中调试天线。

　　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。

　　天线原理

　　天线一般指的是裸露在空间内的导体。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。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”。

　　图2. 偶极天线基础

　　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。按照这个长度，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，对于天线的几何形状，有两个非常重要的事项需要注意：

　　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。

　　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，需要特别注意：

　　1. 天线长度

　　2. 天线馈电

　　3. 接地层和回流路径的形状和尺寸

　　天线类型

　　如前部分所述，在自由空间中裸露的波长为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一样短。对于2.4GHz的应用，大部分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，该导线天线提供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)的结构，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)结构形式存在;请参见图5。

　　当裸露到空间外的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，请参见下图。想要了解各种天线的尺寸对比，请参见表4。

　　图6.芯片天线

　　天线的选择

　　天线的选择取决于其应用、可用电路板的尺寸、成本、辐射范围以及方向性等因素。

　　蓝牙低功耗(BLE)应用(比如无线鼠标)只需要10英寸的辐射范围和几kbps的数据速率。然而，对于采用语音识别的遥控应用，则需要一个室内设置天线，该天线的辐射范围大概为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丢失数据包的情况下，需要用到分集天线。也可以将它用在信标应用中，进行室内定位。