天線設計指南（上）

　　天線參數

　　下面部分提供了天線性能的某些關鍵參數。

　　§ 回波損耗：天線的回波損耗表示天線如何與阻抗為50Ω的傳輸線(TL)實現匹配，將其顯示為圖7中的信號饋送。通常，這個TL的阻抗值為50Ω，但也可以是其他數值。對于工業標準，商業天線和它的測試設備的電阻為50Ω，因此建議您最好使用該值。

　　回波損耗指出：由于不匹配，天線反射的入射功率大小(公式1)。一個理想的天線會發射全部功率，不會產生任何反射。

　　如果該回波損耗是無限的，則認為天線與TL完全匹配，如圖7所示。S11是回波損耗的倒數，其單位為dB。根據經驗估計，如果回波損耗≥10dB(既S11≤–10dB)，便足夠大。表1顯示了天線的回波損耗(dB)與反射功率(%)。回波損耗為10dB時，表示90%的入射功率被傳給天線以進行發射。

　　圖7.回波損耗

　　表1.天線的回波損耗及反射功率

　　§ 帶寬：是指天線的頻率響應。它表示在采用的整個頻帶上，即在BLE應用的2.40GHz至2.48GHz的范圍內，該天線與50Ω的傳輸線如何相互匹配。

　　圖8.帶寬

　　如圖8所示，在2.33GHz至2.55GHz的帶寬上，回波損耗大于10dB。因此，采用的帶寬為200MHz左右。

　　§ 輻射效率：指的是非反射功耗中的一部分(請參見圖7)被消耗為天線中的熱量。產生熱量是由于FR4基板中的介電損耗以及銅線中的導體損耗造成的。該信息作為輻射效率。輻射效率為100%時，全部非反射的功耗都被發射到空間內。對于小型的PCB外形因素，熱耗最小。

　　§ 輻射圖型：該圖型表示輻射的方向性，即表示在哪個方向上的輻射更大，哪個方向上的輻射更小。這有助于在應用中準確地確定天線的方向。

　　無方向性天線可以按與軸線相垂直的平面上所有方向進行等效發射。但大多數天線都達不到這個理想的性能。欲了解詳細說明，請參看圖9中所示的PCB天線的輻射圖。每個數據點都代表RF場強，可以通過接收器中用于接收信號強度的指示器(RSSI)進行測量。正如所料的情況，獲得的輪廓圖像并不是圓形的，因為該天線不是各向同性的。

　　圖9.輻射方向圖

　　§ 增益：增益提供了所采用方向的輻射與各向同性天線(即可從所有方向進行發射)進行對比的信息。增益單位為dBi，即表示在與一個理想的無方向性天線進行對比時輻射的場強。

　　賽普拉斯PRoC/PSoCBLE的天線

　　設計BLE的一個受限因素便是需要在一個緊湊的空間中集成天線，并且最多只能使用兩個外部組件進行調整。調試過程需要確保在某個頻帶內進行傳輸時應盡可能保持傳入天線的能量。這便意味著，所需帶段中的回波損耗要大于10dB。當天線的輸入阻抗為50Ω，并且芯片輸出阻抗為50Ω時，天線收到的能量最大。天線作為接收端時，也要滿足上述條件。對于天線來說，它的調整過程能夠確保天線的阻抗等于50Ω。對于芯片來說，Balun(平衡器)調整過程可保證電阻接近50Ω。

　　PRoC/PSoCBLE器件中集成平衡器的阻抗并不等于50Ω，所以可能需要通過兩個組件對其進行調整。對于射頻范圍較小的低數據速率應用，賽普拉斯所推薦的PCB天線不需要通過任何組件來調整天線。

　　對于高數據速率的應用(如通過遙控器的聲音識別應用)，建議至少需要使用四個組件進行匹配網絡。其中兩個用于平衡器調整，其余兩個用于天線調整。可使用其中兩個進行調整過程，剩下的兩個保持待用狀態。

　　此外，賽普拉斯PRoC/PSoC還提供了不同的應用，如室內定位、智能家居、智能電器以及傳感器集線器。這些應用可能不受空間的限制，因此，可以針對射頻范圍和射頻方向圖等因素為這些應用設計更好的天線。導線天線非常適合非穿戴式但位置固定的應用。

　　很多應用直接在其主PCB中嵌入了賽普拉斯的該類模塊，用以實現無線連接。這些應用要求通過FCC的低成本小型模塊。這時可以使用滿足這些要求的芯片天線。

　　雖然使用2.4GHz頻段的應用很多，但大多數BLE應用僅使用了下面介紹的雙PCB天線。賽普拉斯推薦使用兩種專有的PCB天線、蛇形倒F天線(MIFA)和倒F形天線(IFA)，它們是針對BLE應用而特性化和廣泛模擬的天線。特別是MIFA，可將它用于幾乎所有的BLE應用中。

　　但您也可以從本文檔中選出任何一款符合您的應用要求的天線。

　　賽普拉斯專有的PCB天線

　　賽普拉斯推薦使用IFA和MIFA這兩種PCB天線。BLE應用中的低速率和典型的輻射圍范使這兩種天線特別有用。這些天線既便宜又容易設計，這是因為它們是PCB的組成部分，并且能夠在150至250MHz的頻段范圍內提供良好的性能。

　　建議將MIFA天線使用在僅需極小的PCB空間的應用中，如無線鼠標、鍵盤、演示機等等。對于IFA天線，建議將其應用在要求天線一側的尺寸遠小于另一側的尺寸的應用中，如心率監視器。大多數BLE應用中使用的是MIFA天線。下面各節將詳細介紹每種天線的信息。

　　蛇形倒F天線(MIFA)

　　MIFA是一種普通的天線，被廣泛地使用在各個人機接口設備(HID)中，因為它占用的PCB空間較小。因此賽普拉斯已設計出一種結實的MIFA天線，而它能在較小的波形系數中提供優越的性能。該天線的尺寸為7.2mm×11.1mm(相當于284密耳×437密耳)，因此它很適合于各種HID的應用，例如無線鼠標、鍵盤或演示機等。圖10顯示的是所推薦的MIFA天線的詳細布局，其中包含了雙層PCB的頂層和底層。這種天線的跡線寬度均為20密耳。“W”的值是可改變的主要參數，它取決于PCB堆棧間隔，它表示RF走線(傳輸線)的寬度。

　　圖10.MIFA布局

　　頂層(天線層)

　　底層(RF接地層)

　　注意：有關用于1.6mm厚的FR4PCB上MIFA天線的Gerber和.brd文檔，請訪問網址www.cypress.com/go/AN91445上的AN91445.zip文檔。