天线设计的主要知识点

这份指南 用简单的术语解释了天线设计，并提供了射频组件选择、匹配网络设计和布局设计的指南。本应用笔记还推荐了两种经过赛普拉斯测试的 PCB 天线，它们可以以非常低的成本实现，用于与赛普拉斯 PSoC 和 PRoC 系列中的低功耗蓝牙 (BLE) 解决方案一起使用。PRoC BLE、PSoC 4 BLE 和 PSoC 6 BLE 2.4-GHz 无线电必须与其天线仔细匹配，以获得最佳性能。

我们一起简单浏览一遍该指南的主要知识点。

天线设计和射频布局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。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、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) 范围有较大变化也是正常的。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。射频跟踪、电源解耦、通路孔、PCB 层叠、以及天线与接地的总体布局注意事项也进行了讨论。应用笔记也详细介绍了射频无源器件 (如电感器和电容器) 的选择。每个主题以提示或与主题相关的设计项目的检查表结尾。

Figure 1 示出了在发射机 (TX) 和接收机 (RX) 上的无线系统的关键部件。

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。类似地，接收器侧的调谐良好的无线电可以在天线上在极小的辐射条件下工作。RF 布局连同无线匹配网络需要被正确设计，以确保大部分来自射频的功率到达天线，反之亦然。

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1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”。

如 Figure 2 所示，导体的波长为Lambda/2，其中Lambda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 Figure 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 50 Ω，并且辐射到特性阻抗为 377 Ω 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Lambda/2 的天线 (如 Figure 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Lambda/4，但仍具有相同的性能。请参见 Figure 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 (Lambda/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 (Lambda/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.。

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Lambda/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 2.4 GHz 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Lambda/4，并被放置在接地层上。这种天线是由50-Ω 阻抗的传输线供电的。通常，由于尺寸和三个维度的暴露，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 PCB 4-5mm，并伸出到空间内。

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、或基于天线类型和空间限制的摆动曲线等。在一个 PCB 天线中，天线在 PCB 的同一平面上变成二维 (2D) 结构;见 Figure 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，并且容易制造和可以给 BLE 应用提供可接受的无线距离。

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。当印刷 PCB 天线的空间有限或支持 3D 导线天线时，这非常有用。请参阅 Figure 6 了解包含芯片天线的蓝牙模块。下面给出了天线和模块的大小与1 美分硬币的比较。

天线的选型

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 英尺的辐射范围和几 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 20 英尺，并且其数据速率为 64 kbps。

天线参数

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 50 的传输线 (TL) 实现匹配，将其显示为 Figure 7 中的信号馈送。通常，这个 TL 的阻抗值为 50 Ω，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50 Ω，因此建议您最好使用该值。回波损耗显示：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 Figure 7 所示。S11是回波损耗的倒数，其单位为 dB。大多数情况下，如果回波损耗 ≥ 10 dB (即 S11 ≤ –10 dB)，便足够大。Table 1 显示了天线的回波损耗 (dB) 与反射功率 (%)。回波损耗为 10 dB 时，表示 90%的入射功率被传给天线以进行发射。

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 BLE 应用的 2.40 GHz 至 2.48 GHz 的范围内，该天线与 50 Ω 的传输线如何相互匹配。

如 Figure 8 所示，在 2.33 GHz 至 2.55 GHz 的带宽上，回波损耗大于 10 dB。因此，采用的带宽为 200 MHz 左右。在大多数情况下，更宽的带宽是首选，因为它可以最大限度地减少产品在实际使用中天线周围环境变化引起的失谐效应 (例如放置在木材/金属/塑料桌上的鼠标，鼠标周围的手等)。)

辐射效率：指的是非反射功耗中的一部分 (请参见 Figure 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 Figure 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。

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。

天线介绍图示

各种天线的比较

接地层的影响

外壳的影响

天线放置、外壳、和接地层指南

始终将天线放置在 PCB 的一个角落，与电路的其余部分保持足够的间隙。

始终遵循天线设计者/制造商推荐的天线接地方式。常用的 PCB 天线是单极天线的变体。单极天线需要直接接地才能正常工作。

切勿在所有层的天线禁区内放置任何组件、平面、安装螺丝或迹线。实际的禁用区域取决于使用的天线。

不要将天线靠近工业设计中的塑料。塑料具有比空气更高的介电常数。塑料与天线的接近度导致天线看到更高的有效介电常数。这增加了天线迹线的电长度并降低了谐振频率。

电池电缆或麦克风线缆不得穿过天线迹线。

天线不能完全被金属外壳覆盖。如果产品具有金属外壳或屏蔽层，则外壳不得覆盖天线。天线近场不允许有金属。

天线的方向应与最终产品方向一致，以便辐射在所需方向上达到最大。

天线下方不得有任何接地。

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。

计划为天线匹配网络提供配置，因为天线接近的许多参数 (塑料，接地变化，基底差异和其他组件) 可能会改变其阻抗，因此天线可能需要重新调谐。如果天线的阻抗未知，则最好为三个组件的 PI 或 T 网络提供配置，其中串联元件中填充 0 欧姆，分流元件不加载。这有助于您稍后填充匹配网络所需的任何拓扑。

使用天线制造商提供的匹配网络值时，请确保使用从天线到匹配网络的走线长度，这在制造商数据手册或参考设计中指定。

始终使用最终的塑料外壳和典型的使用案例场景中的产品验证天线匹配网络，例如，验证一只鼠标的塑料放在手上，放在鼠标垫、塑料、木材、金属或地板上。

除了天线的介绍，该指南还详细讲解了射频知识基础。需要全文的同学可以在文末留言。谢谢

审核编辑：汤梓红