2.4 GHz天线和滤波器的器件选择与设计因素考虑

2.4 GHz是现代RF设计的最佳选择，可以通过提及一些知名品牌来证明：蓝牙，ZigBee，Wi-Fi和WLAN。人们还可以将细胞应用投入混合物中。显然，这种未经许可的频段允许各种手持式，移动式和固定式基站设计，这些设计可以点对点通信，也可以通过蜂窝或网状网络进行路由。但是，人气带来了技术问题。即使使用通道分段，一个标准的信号也可以踩到另一个标准信号并阻塞吞吐量。幸运的是，频率分配，算法，时间切片和后退定时器等技术有助于让每个人分享乐队并一起玩得很好。即便如此，实现最佳性能和满足可靠性目标需要卓越的天线设计，并密切关注相关组件，以保持一切谐振。更重要的是，无论是平衡还是单端，发射增益和接收灵敏度取决于天线的物理特性及其辐射方向图。

本文将介绍2.4 GHz天线以及使其工作的耦合网络。它研究了可在2.4 GHz ISM频段工作的商用单芯片天线。它讨论了与使用单芯片天线相关的天线类型，RF分布模式以及范围和设计问题，而不是连接器安装的外部天线或PCB天线。

信号路径

使天线按需运行的关键是天线的信号路径。虽然大多数RF芯片具有良好的输出级，但仍可能需要匹配，滤波和分离，特别是如果单个天线用于多个通信标准。因此，典型的RF输出级仍然必须连接到单端，平衡或双工匹配网络（图1）。

图1 ：虽然RF芯片具有很多功能，但与天线的匹配仍然是工程师的责任，并且根据所使用的天线类型以及它是否是共享RF级而不同。

例如，使用蓝牙的应用程序。您可以使用带通或低通滤波器组合的单端输出级将IC驱动器级布线和匹配到天线（图2A）。更好的方法是通过平衡 - 不平衡转换器和带通滤波器使用平衡差分驱动器级（图2B）。

图2A：单个 - 结束连接可以利用较低成本的过滤器和匹配元素。

图2B：平衡输出级使用特定于芯片制造商部分的精确匹配的阻抗级。

幸运的是，有超过6家制造商可以提供数百种RF专用低通，带通和高通滤波器以及RF专用平衡 - 不平衡转换器和匹配阵列。这些可以有效地阻止和衰减来自蜂窝频段和无线系统的频率，并将阻抗匹配，干净的信号传递到您正在使用的特定芯片的RF级。

对于密集设计，需要了解的部分是多层Taiyo Yuden FI212C245072-T和该系列中的类似零件。 Taiyo Yuden已经找到了一种利用多层电感器更新其核心技术的方法，在单个封装中开发出1.25 x 2 mm，组合平衡带通滤波器和平衡 - 不平衡转换器。典型值为50至100欧姆的阻抗值，但您应注意，使用的部件可能特定于特定的RF芯片制造商。

最后一项很重要，因为IC制造商将竭尽全力描述其RF阶段，这些特性因制造商而异。此外，请记住，检查任何平衡 - 不平衡变压器和滤波器的传输特性非常重要，尤其是在组合时。使用Taiyo Yuden零件，频率图是一种很好的开始方式（图3），但如果偏离制造商建议的布局和处理，您将需要制作自己的特征响应图。

图3：组合滤波器和平衡 - 不平衡转换器的衰减和通带特性可以在减少PCB占位面积的情况下提供良好的性能。在这种情况下，创建2.4到2.5 GHz的通带。

芯片制造商和天线，滤波器和耦合器件制造商都是很好的设计资源。通常，应用说明和参考设计将指定要使用的确切部件号。为了提供帮助，Taiyo Yuden提供两个EMC仿真器：一个用于波形¹，一个用于T/Pi滤波器。²

天线

现在您已经将RF IC级与天线匹配，具有良好的滤波器和平衡 - 不平衡转换器（如果用过的）。现在是时候将注意力集中在天线上了。

对于更高的成本和最大的发射功率和接收灵敏度，应使用外部天线插孔和单元。对于大批量和成本敏感的设计，这通常不是可行的方法，特别是如果您可以使用PCB或单芯片单片天线。

PCB天线可以提供良好的发射增益和接收灵敏度。简单的偶极子易于设计和布局为对应于波长的分数或整数距离。只要PCB制造工艺的严格控制不会使堆叠阻抗变化，可靠且可重复的设计就可以利用PCB天线方法。

仍然需要将天线与其他电路隔离。这在电路板上占用了大量空间，其中RF接地平面和无人居住的区域被精确定位并与机柜中使用的机械外壳和材料协调。

虽然没有达到与某些PCB天线相同的性能水平，但单芯片解决方案允许更小的占地面积，具有均匀一致的性能。以Johanson 2450AT18B100E无源50欧姆陶瓷表面贴装芯片天线为例。这些部件采用低温共烧陶瓷技术（LTCC），使其在拾取和放置机器中保持较小，同时提供接近全向辐射和线性极化。

高达3W的器件面向蓝牙，无线LAN，ZigBee和WiMax应用。对于驻波比规定小于2，这些部件以2.4到2.5 GHz频段为中心（图4）。

图4：Johanson单芯片表面贴装天线的特点是保持驻波比小于2，从而使信号更清晰，杂散和浪费更少。

类似的单芯片天线是TDK ANT040015CCS2442MA1，其中心频率为2.442 GHz。虽然最大VSWR高于Johanson部分 - 最大3.5。 TDK提供PCB参考设计，带有屏蔽馈电点，可远离数字逻辑。与天线紧挨数字逻辑相比，这有助于提供良好的范围（图5）。

图5：遵循制造商的指南和建议的PC板布局可以帮助快速确定性能基准。然后可以使用迭代设计技术将设计调整到最佳性能。

 TDK ANT系列的尺寸从2.0 x 1.25 x 0.5 mm一直到9.8 x 3 x 4 mm。每个都有自己的特点和辐射模式。同样，Taiyo Yuden AF和AH系列在数据表和参考材料中包含特定的部件号，用于感兴趣的RF标准，包括蓝牙，WiMax，GPS，ZigBee和WLAN等等。

有趣的技术需要注意的是Taiyo Yuden RadiEdge配置，其辐射图案设计为从PC板的边缘散发出来。 AH316M245001-T等部件专为2.4 GHz设计而设计，占地面积为3.2 x 1.6 x。5，保持区域为5 mm x 6 mm。值得注意的是，辐射方向图也有些方向性，效率等级约为73％。此外，如果禁止区域正确完成，则RadiEdge布局可以使用双向对称图案位于印刷电路板的中间。当PC板的外围受到严格的空间限制并且可能具有多个连接器时，这可能是有用的。

总之，本文讨论了与2.4 GHz天线和滤波器相关的设计考虑因素和部件选择标准。它已经展示了设备制造商如何提升板材以提供紧凑，精心设计的天线和天线匹配解决方案。遵循制造商的指导方针和建议的布局，至少可以使您的设计有一个良好的开端。