天线设计和射频布局指南

STGing · 发表于 2022-6-15 10:01

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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。
Figure1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Figure2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Figure2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：1.天线长度2.天线馈电长度为Lambda/2的天线(如Figure2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Figure3。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。

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2.4GHz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PCB4-5mm，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Figure5。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Figure6了解包含芯片天线的蓝牙模块。

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64kbps。