2.4 GHz天線和濾波器的器件選擇與設(shè)計(jì)因素考慮

2.4 GHz是現(xiàn)代RF設(shè)計(jì)的最佳選擇，可以通過提及一些知名品牌來證明：藍(lán)牙，ZigBee，Wi-Fi和WLAN。人們還可以將細(xì)胞應(yīng)用投入混合物中。顯然，這種未經(jīng)許可的頻段允許各種手持式，移動(dòng)式和固定式基站設(shè)計(jì)，這些設(shè)計(jì)可以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，也可以通過蜂窩或網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行路由。但是，人氣帶來了技術(shù)問題。即使使用通道分段，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)也可以踩到另一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)并阻塞吞吐量。幸運(yùn)的是，頻率分配，算法，時(shí)間切片和后退定時(shí)器等技術(shù)有助于讓每個(gè)人分享樂隊(duì)并一起玩得很好。即便如此，實(shí)現(xiàn)最佳性能和滿足可靠性目標(biāo)需要卓越的天線設(shè)計(jì)，并密切關(guān)注相關(guān)組件，以保持一切諧振。更重要的是，無論是平衡還是單端，發(fā)射增益和接收靈敏度取決于天線的物理特性及其輻射方向圖。

本文將介紹2.4 GHz天線以及使其工作的耦合網(wǎng)絡(luò)。它研究了可在2.4 GHz ISM頻段工作的商用單芯片天線。它討論了與使用單芯片天線相關(guān)的天線類型，RF分布模式以及范圍和設(shè)計(jì)問題，而不是連接器安裝的外部天線或PCB天線。

信號(hào)路徑

使天線按需運(yùn)行的關(guān)鍵是天線的信號(hào)路徑。雖然大多數(shù)RF芯片具有良好的輸出級(jí)，但仍可能需要匹配，濾波和分離，特別是如果單個(gè)天線用于多個(gè)通信標(biāo)準(zhǔn)。因此，典型的RF輸出級(jí)仍然必須連接到單端，平衡或雙工匹配網(wǎng)絡(luò)（圖1）。

圖1 ：雖然RF芯片具有很多功能，但與天線的匹配仍然是工程師的責(zé)任，并且根據(jù)所使用的天線類型以及它是否是共享RF級(jí)而不同。

例如，使用藍(lán)牙的應(yīng)用程序。您可以使用帶通或低通濾波器組合的單端輸出級(jí)將IC驅(qū)動(dòng)器級(jí)布線和匹配到天線（圖2A）。更好的方法是通過平衡 - 不平衡轉(zhuǎn)換器和帶通濾波器使用平衡差分驅(qū)動(dòng)器級(jí)（圖2B）。

圖2A：?jiǎn)蝹€(gè) - 結(jié)束連接可以利用較低成本的過濾器和匹配元素。

圖2B：平衡輸出級(jí)使用特定于芯片制造商部分的精確匹配的阻抗級(jí)。

幸運(yùn)的是，有超過6家制造商可以提供數(shù)百種RF專用低通，帶通和高通濾波器以及RF專用平衡 - 不平衡轉(zhuǎn)換器和匹配陣列。這些可以有效地阻止和衰減來自蜂窩頻段和無線系統(tǒng)的頻率，并將阻抗匹配，干凈的信號(hào)傳遞到您正在使用的特定芯片的RF級(jí)。

對(duì)于密集設(shè)計(jì)，需要了解的部分是多層Taiyo Yuden FI212C245072-T和該系列中的類似零件。 Taiyo Yuden已經(jīng)找到了一種利用多層電感器更新其核心技術(shù)的方法，在單個(gè)封裝中開發(fā)出1.25 x 2 mm，組合平衡帶通濾波器和平衡 - 不平衡轉(zhuǎn)換器。典型值為50至100歐姆的阻抗值，但您應(yīng)注意，使用的部件可能特定于特定的RF芯片制造商。

最后一項(xiàng)很重要，因?yàn)镮C制造商將竭盡全力描述其RF階段，這些特性因制造商而異。此外，請(qǐng)記住，檢查任何平衡 - 不平衡變壓器和濾波器的傳輸特性非常重要，尤其是在組合時(shí)。使用Taiyo Yuden零件，頻率圖是一種很好的開始方式（圖3），但如果偏離制造商建議的布局和處理，您將需要制作自己的特征響應(yīng)圖。

圖3：組合濾波器和平衡 - 不平衡轉(zhuǎn)換器的衰減和通帶特性可以在減少PCB占位面積的情況下提供良好的性能。在這種情況下，創(chuàng)建2.4到2.5 GHz的通帶。

芯片制造商和天線，濾波器和耦合器件制造商都是很好的設(shè)計(jì)資源。通常，應(yīng)用說明和參考設(shè)計(jì)將指定要使用的確切部件號(hào)。為了提供幫助，Taiyo Yuden提供兩個(gè)EMC仿真器：一個(gè)用于波形1，一個(gè)用于T/Pi濾波器。2

天線

現(xiàn)在您已經(jīng)將RF IC級(jí)與天線匹配，具有良好的濾波器和平衡 - 不平衡轉(zhuǎn)換器（如果用過的）?，F(xiàn)在是時(shí)候?qū)⒆⒁饬性谔炀€上了。

對(duì)于更高的成本和最大的發(fā)射功率和接收靈敏度，應(yīng)使用外部天線插孔和單元。對(duì)于大批量和成本敏感的設(shè)計(jì)，這通常不是可行的方法，特別是如果您可以使用PCB或單芯片單片天線。

PCB天線可以提供良好的發(fā)射增益和接收靈敏度。簡(jiǎn)單的偶極子易于設(shè)計(jì)和布局為對(duì)應(yīng)于波長(zhǎng)的分?jǐn)?shù)或整數(shù)距離。只要PCB制造工藝的嚴(yán)格控制不會(huì)使堆疊阻抗變化，可靠且可重復(fù)的設(shè)計(jì)就可以利用PCB天線方法。

仍然需要將天線與其他電路隔離。這在電路板上占用了大量空間，其中RF接地平面和無人居住的區(qū)域被精確定位并與機(jī)柜中使用的機(jī)械外殼和材料協(xié)調(diào)。

雖然沒有達(dá)到與某些PCB天線相同的性能水平，但單芯片解決方案允許更小的占地面積，具有均勻一致的性能。以Johanson 2450AT18B100E無源50歐姆陶瓷表面貼裝芯片天線為例。這些部件采用低溫共燒陶瓷技術(shù)（LTCC），使其在拾取和放置機(jī)器中保持較小，同時(shí)提供接近全向輻射和線性極化。

高達(dá)3W的器件面向藍(lán)牙，無線LAN，ZigBee和WiMax應(yīng)用。對(duì)于駐波比規(guī)定小于2，這些部件以2.4到2.5 GHz頻段為中心（圖4）。

圖4：Johanson單芯片表面貼裝天線的特點(diǎn)是保持駐波比小于2，從而使信號(hào)更清晰，雜散和浪費(fèi)更少。

類似的單芯片天線是TDK ANT040015CCS2442MA1，其中心頻率為2.442 GHz。雖然最大VSWR高于Johanson部分 - 最大3.5。 TDK提供PCB參考設(shè)計(jì)，帶有屏蔽饋電點(diǎn)，可遠(yuǎn)離數(shù)字邏輯。與天線緊挨數(shù)字邏輯相比，這有助于提供良好的范圍（圖5）。

圖5：遵循制造商的指南和建議的PC板布局可以幫助快速確定性能基準(zhǔn)。然后可以使用迭代設(shè)計(jì)技術(shù)將設(shè)計(jì)調(diào)整到最佳性能。

TDK ANT系列的尺寸從2.0 x 1.25 x 0.5 mm一直到9.8 x 3 x 4 mm。每個(gè)都有自己的特點(diǎn)和輻射模式。同樣，Taiyo Yuden AF和AH系列在數(shù)據(jù)表和參考材料中包含特定的部件號(hào)，用于感興趣的RF標(biāo)準(zhǔn)，包括藍(lán)牙，WiMax，GPS，ZigBee和WLAN等等。

有趣的技術(shù)需要注意的是Taiyo Yuden RadiEdge配置，其輻射圖案設(shè)計(jì)為從PC板的邊緣散發(fā)出來。 AH316M245001-T等部件專為2.4 GHz設(shè)計(jì)而設(shè)計(jì)，占地面積為3.2 x 1.6 x。5，保持區(qū)域?yàn)? mm x 6 mm。值得注意的是，輻射方向圖也有些方向性，效率等級(jí)約為73％。此外，如果禁止區(qū)域正確完成，則RadiEdge布局可以使用雙向?qū)ΨQ圖案位于印刷電路板的中間。當(dāng)PC板的外圍受到嚴(yán)格的空間限制并且可能具有多個(gè)連接器時(shí)，這可能是有用的。

總之，本文討論了與2.4 GHz天線和濾波器相關(guān)的設(shè)計(jì)考慮因素和部件選擇標(biāo)準(zhǔn)。它已經(jīng)展示了設(shè)備制造商如何提升板材以提供緊湊，精心設(shè)計(jì)的天線和天線匹配解決方案。遵循制造商的指導(dǎo)方針和建議的布局，至少可以使您的設(shè)計(jì)有一個(gè)良好的開端。