2.4G天线如何设计_2.4G天线设计过程详解

发表于 2018-03-17 07:16:00 收藏 已收藏
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2.4G天线如何设计_2.4G天线设计过程详解

发表于 2018-03-17 07:16:00

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。

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:

a.天线长度

b.天线馈电

c. 接地层和回流路径的形状和尺寸

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

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

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