天線設(shè)計(jì)和射頻布局

天線設(shè)計(jì)和射頻布局對(duì)于在自由空間中傳輸和接收電磁輻射的無線系統(tǒng)至關(guān)重要。終端客戶從具有限流電源的RF產(chǎn)品中獲得的無線范圍（例如紐扣電池）在很大程度上取決于天線設(shè)計(jì)，外殼和良好的PCB布局。

天線設(shè)計(jì)和射頻布局

對(duì)于使用相同硅和相同功率但具有不同布局和天線設(shè)計(jì)實(shí)踐的設(shè)計(jì)，RF范圍的變化很大并不罕見。本應(yīng)用筆記介紹了最佳實(shí)踐，布局指南和天線調(diào)整程序，以便在給定功率范圍內(nèi)獲得最寬范圍。還探討了RF走線，電源去耦，通孔，PCB疊層，天線和接地等其他重要的一般布局考慮因素。詳細(xì)介紹了電感器和電容器等射頻無源器件的選擇。每個(gè)主題都以與該主題相關(guān)的設(shè)計(jì)項(xiàng)目的提示或清單結(jié)束。圖1顯示了無線系統(tǒng)的關(guān)鍵組件，發(fā)送器（TX）和接收器（RX）。
圖1.典型的短程無線系統(tǒng)

典型的短程無線系統(tǒng)

精心設(shè)計(jì)的天線可確保無線產(chǎn)品的最佳工作距離。它可以從無線電傳輸?shù)墓β试酱螅鼘?duì)于給定的分組錯(cuò)誤率（PER）和接收器靈敏度所能覆蓋的距離就越大。
同樣，接收器側(cè)的調(diào)諧良好的無線電可以使用天線發(fā)生的最小輻射。需要正確設(shè)計(jì)RF
布局以及無線電匹配網(wǎng)絡(luò)，以確保無線電的大部分功率到達(dá)天線，反之亦然

2天線基礎(chǔ)知識(shí)
天線基本上是在太空中暴露的導(dǎo)體。如果導(dǎo)體的長(zhǎng)度是信號(hào)1的波長(zhǎng)的某個(gè)比率或倍數(shù)，則它變成天線。這種情況稱為“諧振”，因?yàn)轲伻胩炀€的電能被輻射到自由空間。圖2.偶極子天線基本

偶極子Antenna Basic

通過稱為“天線饋電”的傳輸線向天線饋送天線。在這個(gè)長(zhǎng)度上，電壓和電流駐波在導(dǎo)體的整個(gè)長(zhǎng)度上形成，如圖2所示。
輸入到天線的電能以該頻率的電磁輻射的形式輻射到免費(fèi)搜索空間。天線由阻抗為50Ω的天線饋電饋電，并傳輸?shù)阶杂煽臻g，具有377Ω2的阻抗。
因此，天線幾何有兩個(gè)最重要的考慮因素：1。天線長(zhǎng)度
2。天線饋源
圖2所示的?/2長(zhǎng)天線稱為偶極天線。然而，印刷電路板中的大多數(shù)天線通過以特定方式具有?/4長(zhǎng)度導(dǎo)體來實(shí)現(xiàn)相同的性能。參見圖3.
通過在導(dǎo)體下方一定距離處接地，可以創(chuàng)建相同長(zhǎng)度的圖像（?/4）。當(dāng)組合時(shí)，這些腿就像偶極天線一樣工作。這種類型的天線稱為四分之一波（?/4）單極天線。 PCB上的大多數(shù)天線在銅接地平面上實(shí)現(xiàn)為四分之一波長(zhǎng)天線。請(qǐng)注意，信號(hào)現(xiàn)在是單端饋電，地平面充當(dāng)返回路徑。

圖3.四分之一波天線

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四分之一波天線

對(duì)于大多數(shù)PCB中使用的四分之一波長(zhǎng)天線，重要的考慮因素是：

1。天線長(zhǎng)度
2。天線飼料
3。接地平面的形狀和大小以及返回路徑
3天線類型
如上一節(jié)所述，任何長(zhǎng)度為?/4的導(dǎo)體在自由空間中暴露，在地平面上有適當(dāng)?shù)酿侂娍梢允且粋€(gè)有效的天線。根據(jù)波長(zhǎng)，天線可以與汽車的FM
天線或信標(biāo)上的微小跡線一樣長(zhǎng)。對(duì)于2.4-GHz應(yīng)用，大多數(shù)PCB天線屬于以下類型：
1。線天線：這是一塊在自由空間中在PCB上延伸的導(dǎo)線，其長(zhǎng)度在地平面上與?/4相匹配。這通常由50Ω
4傳輸線供電。由于其尺寸和三維曝光，線天線提供最佳性能和射頻范圍。導(dǎo)線可以是直線，螺旋，或環(huán)。這是一種三維（3D）結(jié)構(gòu)，天線在PCB平面上方4-5 mm的高度，突出到太空中。

圖4：線天線

線天線

2。 PCB天線：這是在PCB上繪制的跡線。根據(jù)天線類型和空間限制，這可以是直線跡，倒F型跡線，蜿蜒曲線，圓形跡線或具有擺動(dòng)的曲線。在PCB
天線中，天線在PCB的同一平面內(nèi)成為二維（2D）結(jié)構(gòu);參見圖5.由于在自由空間中暴露的3D天線作為2D PCB走線被帶到PCB平面，因此必須遵循指南。 PCB天線需要更多的PCB面積，效率低于線天線，但更便宜。它具有易于制造的特性，并且具有BLE應(yīng)用可接受的無線范圍。

圖5. PCB Anten

PCB Anten

3。芯片天線：這是一種小型IC的天線，內(nèi)部有導(dǎo)體。當(dāng)打印PCB天線或支持3D線天線的空間有限時(shí)，這非常有用。有關(guān)包含芯片天線的藍(lán)牙模塊，請(qǐng)參閱圖6。下圖給出了天線和模塊的尺寸與硬幣的比較。圖6.帶有芯片天線的賽普拉斯EZ BLE模塊（10 mm×10 mm）

帶有芯片天線的賽普拉斯EZ BLE模塊（10 mm×10 mm）

下一部分我們將采取的措施如何選擇天線。

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