姓名：刘轩 学号：19020100412 学院：电子工程学院
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【嵌牛导读】天线设计的相关技术知识
【嵌牛鼻子】天线设计 原理
【嵌牛提问】天线设计在理论上是否还能继续优化？
【嵌牛正文】
赛普拉斯 PRoC/PSoCBLE 的天线
设计 BLE 的一个受限因素便是需要在一个紧凑的空间中集成天线，并且最多只能使用两个外部组件进行调整。调试过程需要确保在某个频带内进行传输时应尽可能保持传入天线的能量。这便意味着，所需带段中的回波损耗要大于 10dB。当天线的输入阻抗为 50Ω，并且芯片输出阻抗为 50Ω时，天线收到的能量最大。天线作为接收端时，也要满足上述条件。对于天线来说，它的调整过程能够确保天线的阻抗等于 50Ω。对于芯片来说，Balun(平衡器)调整过程可保证电阻接近 50Ω。
PRoC/PSoCBLE 器件中集成平衡器的阻抗并不等于 50Ω，所以可能需要通过两个组件对其进行调整。对于射频范围较小的低数据速率应用，赛普拉斯所推荐的 PCB 天线不需要通过任何组件来调整天线。
对于高数据速率的应用(如通过遥控器的声音识别应用)，建议至少需要使用四个组件进行匹配网络。其中两个用于平衡器调整，其余两个用于天线调整。可使用其中两个进行调整过程，剩下的两个保持待用状态。
此外，赛普拉斯 PRoC/PSoC 还提供了不同的应用，如室内定位、智能家居、智能电器以及传感器集线器。这些应用可能不受空间的限制，因此，可以针对射频范围和射频方向图等因素为这些应用设计更好的天线。导线天线非常适合非穿戴式但位置固定的应用。
很多应用直接在其主 PCB 中嵌入了赛普拉斯的该类模块，用以实现无线连接。这些应用要求通过 FCC 的低成本小型模块。这时可以使用满足这些要求的芯片天线（陶瓷天线）。
虽然使用 2.4GHz 频段的应用很多，但大多数 BLE 应用仅使用了下面介绍的双 PCB 天线。赛普拉斯推荐使用两种专有的 PCB 天线、蛇形倒 F 天线(MIFA)和倒 F 形天线(IFA)，它们是针对 BLE 应用而特性化和广泛模拟的天线。特别是 MIFA，可将它用于几乎所有的 BLE 应用中。
赛普拉斯专有的 PCB 天线
赛普拉斯推荐使用 IFA 和 MIFA 这两种 PCB 天线。BLE 应用中的低速率和典型的辐射围范使这两种天线特别有用。这些天线既便宜又容易设计，这是因为它们是 PCB 的组成部分，并且能够在 150 至 250MHz 的频段范围内提供良好的性能。
建议将 MIFA 天线使用在仅需极小的 PCB 空间的应用中，如无线鼠标、键盘、演示机等等。对于 IFA 天线，建议将其应用在要求天线一侧的尺寸远小于另一侧的尺寸的应用中，如心率监视器。大多数 BLE 应用中使用的是 MIFA 天线。下面各节将详细介绍每种天线的信息。
蛇形倒 F 天线(MIFA)
MIFA 是一种普通的天线，被广泛地使用在各个人机接口设备(HID)中，因为它占用的 PCB 空间较小。因此赛普拉斯已设计出一种结实的 MIFA 天线，而它能在较小的波形系数中提供优越的性能。该天线的尺寸为 7.2mm×11.1mm(相当于 284 密耳×437 密耳)，因此它很适合于各种 HID 的应用，例如无线鼠标、键盘或演示机等。图 10 显示的是所推荐的 MIFA 天线的详细布局，其中包含了双层 PCB 的顶层和底层。这种天线的迹线宽度均为 20 密耳。“W”的值是可改变的主要参数，它取决于 PCB 堆栈间隔，它表示 RF 走线(传输线)的宽度。
图 10 MIFA 布局
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天线馈电的考量
表 2 显示的是双层 FR4PCB 顶层和底层间厚度的“W”值(相应的介电常数为 4.3)。顶层包含了天线走线;而底层则是包含了固态 RF 接地层的下一层。底层的余下 PCB 空间可以作为信号接地层使用(针对 PRoC/PSoC 和其他电路)。图 11 显示的是典型的双层 PCB 厚度的“W”值。
表 2.FR4PCB 的“W”值：天线层与相邻射频的接地层间的厚度。
图 11.PCB 厚度的 W 值
对于为天线馈电更短的 PCB 走线，这样的宽度要求是比较宽松的。要确保天线走线的宽度和天线馈电接点的宽度相同。在图 12 展示的情况中，天线馈电的走线宽度不是表 2 中所规定的宽度。
图 12 .PCB 馈电设计
对于为天线馈电更短的 PCB 走线，这样的宽度要求是比较宽松的。要确保天线走线的宽度和天线馈电接点的宽度相同。在图 12 展示的情况中，天线馈电的走线宽度不是表 2 中所规定的宽度。
图 13.MIFA 的 S11(回波损耗=–S11)
图 14 显示的是 MIFA 在 2.44GHz 频率时完整的 3D 辐射增益图。在给自定义应用设置 MIFA 天线时，该信息非常有用，有助于在需要的方向上得到最大的辐射。在上面的图中：MIFA 被放置在 XY 平面上，Z 轴方向与它垂直。
图 14.MIFA 的 3D 辐射增益图
供该辐射图，可以知道：最大的辐射出现在与 X 轴成 30°角度的圆锥空间内。这是因为 MIFA 在 XY 平面上不能保持正横或正竖的方向。MIFA 竖向部分和末梢和均参加了辐射，并形成一个倾斜的辐射图。
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天线长度的考量
根据 PCB 的不同厚度，需要调整 MIFA 天线的长度，这样才能调整天线辐射的阻抗和频率选择。根据不同的电路板厚度，赛普拉斯提供了下面各天线长度。
图 15.MIFA 的长度
表 3. 竖向部分和末梢的长度(L_Tip/L_leg)
图 15 显示的是两种适用于两个不同电路板厚度的 MIFA 天线。设计人员根据特定的电路板厚度进行调整 MIFA 天线的长度时，请参考表 3。
倒 F 天线(IFA)
对于天线的尺寸有一定限制条件的应用中(例如心率监视器)，推荐您选用这种 IFA。图 16 显示所推荐的 IFA 的详细布局，其中包含了双层 PCB 中的顶层和底层。其走线宽度约为 24mm。对于厚度为 1.6mm 的 FR4PCB，IFA 的尺寸被设计为 4mm×20.5mm(157.5mils×807mils)。与 MIFA 相比，IFA 的宽高比(宽度和高度的比例)更大。
图 16.IFA 布局
顶层(天线层)
底层(RF 接地层)
馈电走线的宽度“W”受产品中 PCB 堆栈的影响。表 4 根据顶层(天线层)和底层(相邻射频接地层)间不同的 PCB 厚度给 FR4 基板提供了相应的“W”值(相应的介电常数为 4.3)。顶层包含天线迹线;而底层则为其紧挨的包含了固态 RF 接地层的下一层。底层上剩余的 PCB 空间可以作为信号接地平面使用(对于 PRoC/PSoC 和其他电路)。图 17 将典型的双层 PCB 的“PCB 厚度”的概念与“F”值联系起来。
表 4.FR4PCB 的“F”值：天线层与相邻射频的接地层间的厚度。
图 17.PCB 厚度说明
对于小于 3mm 的短走线，天线馈电厚度是可以调整的。天线馈电的厚度可以与天线走线厚度相同，请参见图 12。
IFA 在 220MHz 的带宽上(S11≤–10dB)的频率约为 2.44GHz，如图 18 中所示。
图 18.IFA 的 S11(回波损耗=-S11)
图 19 显示的是 IFA 在 XY 平面上的定性辐射图。在为客户应用设置 IFA 天线时，该信息非常有用，有助于在需要的方向上得到最大的辐射。为了便于观察，图中只显示了定性辐射的方向。有关所有 XY、YZ、ZX 平面上详细的辐射图，请联系赛普拉斯的技术支持。
图 19.IFA 的定性 2D 辐射增益图
芯片天线（陶瓷天线）
对于 PCB 尺寸非常小的利基应用(例如蓝牙收发器)，芯片天线（陶瓷天线）不失为一种很好的办法(图 20)。它们是现成的天线，占用的 PCB 空间最小，并且能够提供较好的性能。但芯片天线增加了材料清单(BOM)，并需要装配费用。因为它要求订购和装配外部组件。通常，芯片天线的价格约为 10-50 美分，具体价格取决于尺寸和性能。
图 20. 芯片天线
使用芯片天线时，也应考虑另一个关键因素：它受辐射接地面积的影响。所以，必须遵循厂家对接地面积的推荐。与 PCB 天线不同，芯片天线不能通过改变天线长度来调整。另外需要一个匹配网络才能调整该天线，因此会增加更多的材料清单。
赛普拉斯只推荐将芯片天线使用在要求 PCB 空间极小的特定应用中，例如：Nano 蓝牙收发器。对于这样的应用，赛普拉斯建议使用具有约翰森技术的 2450AT18B100E 芯片天线，其尺寸为 63milx126mil。
而对于大部分应用，则建议使用 PCB 天线，如 MIFA 或 IFA。这些小外形(占用空间小)天线不但廉价，而且提供的性能非常卓越。图 21 和图 22 显示的是具有约翰森技术的 2450AT42B100E 芯片天线布局指南。其尺寸为 118milx196mil。更多有关这些天线的详细指南，请参考它们相关的网址。
图 21. 具有约翰森技术的 2450AT42B100E 芯片天线的布局指南
该布局也显示了 50Ω的馈电传输线以及与其相匹配的组件。馈电传输线的宽度取决于电路板的厚度。表 4 中指定了准确的电路板厚度。
图 22. 与产品网页中相同的约翰森技术天线的布局指南。
芯片天线的性能是由接地层决定。一般来说，它们需要更多的接地面积和更大的空间。如上图所示，对于 2450AT42B100E 的天线，最小的接地距离为 0.8mm。该间距为 2-3mm 时，观察到的 s11 会更加明显。
芯片天线不一定是严格等向性的。辐射存在某些优先的方向。根据 Gnd 间距和塑料配件，辐射最大的方向也不一样。有关约翰森技术的芯片天线(2450AT42B100E)的常见辐射方向，请参见图 23。
图 23. 芯片天线（陶瓷天线）的辐射图
赛普拉斯只推荐将芯片天线使用在要求 PCB 空间极小的特定应用中，例如：Nano 蓝牙收发器或超小的模块。对于这些应用，赛普拉斯也建议使用含有约翰森技术的 2450AT42B100E 芯片天线，因为与 2450AT18B100E 相比，它的尺寸更大，射频性能更好，并且需要较小的 Gnd 间距。介绍翰森技术天线的内容仅供参考。更多有关 2.4GHz 芯片天线的信息，请向各供应商索取，如 Murata、Vishay 等。
对于大部分应用，建议使用 PCB 天线，如 MIFA 或 IFA。这些外形小(占用空间小)的天线虽然廉价，但提供的性能非常卓越。
导线天线
导线天线是传统的旧式天线，将一条铝线或一根四分之一波长的回形针固定在 PCB 上面便构成了这种天线，该铝线或回形针按螺旋形状安装在 PCB 上，然后在距离 PCB5-6mm 的位置与该层并行。
不用再做介绍，由于它们作为 3D 天线裸露在空气中，所以它们的射频性能非常好。这种天线具有最好的信号范围和最等向的辐射方向图。导线天线的无线覆盖范围可超过 100 英尺。
对于要求小外形天线的 BLE 应用，不建议使用这种天线，因为它会占用较大空间和垂直高度。但如果有足够的空间，那么这种天线可实现最佳的射频范围、方向性以及辐射方向图等性能。
图 24. 导线天线布局
导线天线具有最佳的射频性能。与其他天线相比，导线天线的天线增益和辐射性能是最好的。请参考图 25，了解导线天线的定性辐射方向图。
图 25. 导线天线的定性辐射方向图
各种天线的比较
请参考表 5，快速为您的应用选择合适的天线。
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