【PCB设计】天线设计“宝典大全”

 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厚度说明

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.短走线的天线馈电宽度

但如果传输线较长(从匹配网络至天线或回到PRoC/PSoC的ANT引脚的线的长约为1cm)，那么赛普拉斯建议使用底层上宽度特定的“W”的传输线(TLine)类型(该线被放置在PCB上)作为馈源。

图13表示的是MIFA的S11。该MIFA的带宽(S11≤–10dB)范围为2.44GHz±230MHz。因此，在2.44GHz±230MHz的范围内，天线的反射小于或等于10%，这样将够用于BLE应用。

 

 

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

提供该辐射图，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。

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)

注意：有关1.6mm厚的FR4PCB的Gerber文件(和.brd文件)，请参考www.cypress.com/go/AN91445网页上的AN91445.zip文件。

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

对于PCB尺寸非常小的利基应用(例如蓝牙收发器)，芯片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。

 

 

表5.MIFA、IFA、芯片和导线天线间的比较

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