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環境對天線性能的影響 通常消費類產品中所使用的天線對PCB射頻接地層的大小和產品的塑料外殼非常敏感。可將天線模擬為一個LC諧振器，當L(電感)或C(電容)增加時，該LC諧振器的諧振頻率會下降。更大的射頻接地層和塑料外殼會增大有效電容，從而降低諧振頻率。 接地層的影響 賽普拉斯已經廣泛地研究了射頻接地層的大小和附近塑料外殼對天線諧振頻率產生的影響。通過實驗和測量證明，賽普拉斯可以確定天線的靈敏度并提供一個既簡單強大，又有效的解決方法，以便調試天線。 要想評估天線對射頻接地層大小的靈敏度，可以通過在各種可能尺寸的PCB上安裝天線進行實驗。圖26顯示的是MIFA被放置在接地層大小不同的PCB上的示例。PCB的尺寸范圍為20mm×20mm至50mm×50mm。 通過該曲線可以了解到，射頻接地層的面積越大，那么諧振頻率越低，并且接地層也越好，因此回波損耗也會越小。這便是好的PCB布局中的關鍵條件。給四分之一波長的天線提供的接地層越好，它與理論性能的關系也會越好。這是進行天線設計中的關鍵概念，可以解決沒有足夠空間提供給接地小型模塊天線的困難。 圖26.PCB 塑料外殼的影響 同樣，為確定產品的塑料外殼對天線的影響，要使用一個無線鼠標進行實驗，如圖27所示。將賽普拉斯MIFA放置在無線鼠標的塑料外殼中，然后測量該天線的諧振頻率。 圖27.塑料外殼的影響 通過圖26和圖27，可了解以下主要內容： § 將天線放置在靠近塑料外殼的地方時，諧振頻率會降低。 § 諧振頻率的變化范圍為100MHz至200MHz。必須重新調試天線才能獲得所需頻帶。 總之，加大接地層大小和塑料外殼是為了使天線的諧振頻率降低到100MHz至200MHz的范圍內。 產品外殼和接地層指南 § 必須確保在天線末梢或天線長度范圍附近不能有任何組件、固定螺釘或接地層。 § 電池線或音頻線不能穿過天線或PCB上天線布線的同一側面。 § 不能將金屬外殼完全覆蓋天線。如果產品外殼是金屬的或是一個保護罩，請不要將外殼完全覆蓋掉天線。 § 天線的方向應該符合最終產品的方向，這樣使天線在所需的方向上具有最大的輻射。 § 應該具有足夠的空間：接地層越大，MIFA、IFA、芯片天線和導線天線的S11參數值(回波損耗)會越高。 § 天線正下方不應該存在任何接地層。請參考圖14。這個設置適用于所有天線。 § 從天線到接地層要有足夠的空間(間隙)，該接地層的寬度應該最小。請參考圖10、圖15和圖21。 天線調試 天線調試過程確保在所需頻帶中，天線的回波損耗(從芯片輸出的方向來看)大于10dB。同樣，對于芯片(Balun)，要執行相同的程序，用以確保在接受模式下，Balun的阻抗為50Ω。這時天線調試和Balun調試均被稱為天線調試。 圖28.調試和匹配網絡的參考圖 50Ω參考點被連接至具有一個端口網絡的網絡分析儀。進行天線調試期間，通過移除Balun匹配組件可以斷開同芯片的連接。進行Balun調試期間，會斷開同天線匹配組件的連接。 以下章節將詳細說明如何使用網絡分析儀來調試天線。雖然這里僅顯示了一個Pioneer套件無線鼠標的調試程序，不過該程序適用于所有天線調試。 調試過程 如前面所述，外殼和接地層的影響使天線所需的頻帶失調，并且影響了回波損耗。因此，天線調試過程包括兩個步驟：首先，將PCB空板調試為所需頻帶;然后在確定ID后，通過塑料外殼和人體接觸檢查調試。 使用網絡分析儀來檢查天線調試。在第一個步驟中，先校準該網絡分析儀，然后通過調整匹配網絡組件和驗證Smith圖表中的調試進行天線調試。 調試過程中會使用： § 安捷倫(Agilent)8714ES網絡分析儀(已校準) § Pioneer套件鼠標(如DUT) § 電氣延遲時間為350ps的半剛性電纜 § 質量的射頻組件目錄(Johanson套件P/N  402DC)調試過程主要步驟為： 1.準備ID 2.設置并校準網絡分析儀 3.PCB空板調試。如同圖中所示，標志1、2和3的回波損耗大于15db。 4.使用塑料和人體接觸來調整調試 準備ID 該步驟非常重要，因為同軸線纜的放置情況會使s11的變化值為3dB。盡量使同軸線纜屏蔽的接地連接靠近傳輸線返回路徑。請執行以下操作： 1.打開塑料外殼，去掉電池或斷開供電電源。 2.使同軸線纜接近芯片的射頻輸出引腳。斷開芯片連接。否則，不僅僅是天線，就連Balun也會連接到同軸線纜。請參見圖29。 3.請確保，有一個裸露接地層靠近同軸線纜頭。將線纜的屏蔽或外殼接地。將該屏蔽/外殼接地時，盡量縮短它與地面間的距離。該距離越小，調試準確度就越高。根據同軸線纜接地的位置，回波損耗測量的差值可為3dB。 4.將一個10pF的電容從50Ω參考點的第一個焊盤連接至天線末梢。要在同軸線纜和天線之間始終連接一個電容。這樣能夠阻止網絡分析儀的直流電。 圖29.同軸線纜的連接點 設置并校準網絡分析儀 1.使用3.5mm校準套件進行校準。接下來，將網絡分析儀的校準套件設置為3.5mm后，按下Agilent8714ES上的cal(校準)按鍵。您也可以使用其他校準套件，如N型校準套件。 2.按下頻率按鍵，分別將啟動頻率和停止頻率設置為2GHz和3GHz，將格式設為Smith圖表。 3.按下marker(標記)按鍵，將各標記的頻率分別設為2.402GHz、2.44GHz和2.48GHz。 4.按下cal(校準)按鍵，選擇網絡分析儀上的S11并將其設為用戶1端口校準。 5.要求連接“open”加載時，請連接“open”加載，并按下measurestandard。 6.連接“Short”加載，并按下measurestandard。 7.連接至“broadband”加載，并按下measurestandard。然后網絡分析儀會計算系數，并將50Ω加載顯示為Smith圖表上明確標記為50,0的參考點。 8.通過按下‘scale’按鍵并正確設置電氣延遲，可調試同軸線纜和設置電氣延遲。 調試PCB空板 想要調試PCB空板，先要確定天線的阻抗，然后根據匹配網絡組件，在所需頻帶內使回波損耗低于10db。 1.將一個8.2pF大小的電容與天線串聯起來。在所需頻帶內，該電容的阻抗為0Ω。該阻抗便是天線阻抗。天線的阻抗等于(100.36–j34.82)，如Smith圖表中紅色圓圈所示。 圖30.僅針對天線的Smith圖表 2.確定天線的阻抗后，通過執行阻抗轉換使用拓撲使天線阻抗變為50Ω。賽普拉斯MIFA或IFA的大部分匹配網絡(圖31所示)是由兩個組件構成的。 圖31.匹配網絡 可以使用標準的開源工具(如Bern研究院的SmithV3.10)對匹配網絡組件進行仿真。通過將0.45pF的并聯電容和3.6nH的串聯電感連接到天線，可以將天線阻抗轉換為50Ω,，從而能夠在所需的頻帶中去除虛擬部分。由于準確值不可用，因此我們要選擇一個0.5pF的并聯電容和一個3.6nH的串聯電感。 圖32.在Smith圖表中轉換為50Ω 以下顯示的是匹配網絡的最終原理圖。ZL表示阻抗為0歐姆時天線的阻抗。Zin指的是輸出阻抗為50歐姆時網絡分析儀觀察到的阻抗。 圖33.理論匹配網絡 仿真軟件有助于了解組件值。但實際組件值與仿真值的差別很大。出現這種情況是因為頻率為2.4GHz時，電容的走線間電感、焊盤的寄生加載以及接地返回路徑構建了一個附加的寄生回路，從而完全改變了Smith圖表。對于該應用，需要選擇一個0.7pF的電容和一個1.2pF的串聯電容，以得到諧振。 圖34.實際的匹配網絡 下面是該操作的簡要說明。天線阻抗來自假定阻抗為0歐姆的8.2pF電容器。此外，該圖也顯示了頻率為2.4Ghz時走線間電感的寄生電容。接地返回路徑緊挨著該天線。但由于使用了匹配組件，接地返回路徑將有額外的寄生電容。這樣天線的電感會很大，所以要添加幾個電容器以調整該電感。這是調整天線時遇到的典型問題。理論與實踐間存在著明顯的差別。用戶可添加一個電容器，但請注意，如果添加某個電感，Smith圖會向一定的方向移動。圖35顯示的是使用實際組件的最終Smith圖表。 圖35.使用實際組件的Smith圖表 圖中也顯示了頻率分別為2402MHz、2440MHz和2480MHz的標志1、2和3接近Smith圖表上的(50,0)點。顯示的是一個良好的匹配。 下面制圖顯示了組件值的回撥損耗。大于15db的回波損耗符合我們的應用。 圖36.使用實際組件時的回波損耗 如同圖中所示，標志1、2和3的回波損耗大于15db。 使用塑料和人體接觸來調整調試 PCB的塑料外殼更改了天線調整。所有天線均受到近場或遠場物體的影響。如果是一個窄帶天線，它受近場物體的影響幾率非常大。 塑料外殼和附近移動的電池線纜可使天線完全失調，并且在2.402G到2.482G的優選頻帶內它的回波損耗會低于10db。因此，調試PCB空板后，需要使PCB保持在塑料外殼內，并使用鼠標重新檢測調試。這樣操作很復雜，尤其是還要將同軸電纜引出塑料裝配外。通過在ID內鉆出一小孔，可以將該同軸電纜引出去。最后使用塑料外殼或將一只手放在塑料外殼上面(如同用戶使用鼠標時)進行檢查調試效果。所觀察到的回波損耗的影響最小。 圖37.使用塑料裝置時的SmithChart，連接至ID的圖表 總結 本應用筆記簡單介紹了如何使用PRoCBLE/PSoCBLE輕松設計自定義產品的最佳天線。同時也提供了針對不同天線類型所需要的天線布局指南。 關于作者姓名：Tapan Pattnayak 職務：高級系統主管工程師 背景：2002年，Tapan在印度Kharagpur技術學院(IITKharagpur)獲得了電氣工程技術學士學位。目前，他在美國圣何塞的賽普拉斯半導體技術公司任職。 聯系方式：tapi@cypress.com |
