对于在自由空空间中发射和接收电磁辐射的无线系统来说，天线设计和RF布局非常重要。终端客户从限流电源射频产品获得的无线范围(如纽扣电池)很大程度上取决于天线设计、外壳和良好的PCB布局。
天线设计和射频布局
对于具有相同硅和相同功率、但不同布局和天线设计实践的设计来说，RF范围有很大变化并不罕见。本应用笔记介绍在给定功率范围内获得最大范围的最佳实践、布局指南和天线调整程序。还讨论了其它重要的总体布局考虑因素，如RF路由、电源去耦、过孔、PCB堆叠、天线和接地。详细介绍了电感、电容等射频无源器件的选择。每个主题都以一个提示或与主题相关的设计项目列表结束。图1示出了无线系统的关键组件，发射机(TX)和接收机(RX)。图1。典型的短程无线系统
典型的短程无线系统基于
精心设计的天线可以保证无线产品的最佳工作距离。它能从无线电发射的功率越大，对于给定的分组错误率(PER)和接收机灵敏度，它能覆盖的距离就越大。类似地，接收机端调谐良好的无线电可以使用天线产生的最小辐射。需要正确设计RF布局和无线电匹配网络，以确保大部分无线电功率到达天线，反之亦然。
2天线的基本知识一个天线基本上就是暴露在空中的导体。如果导体的长度是信号1波长的某个比值或倍数，它就成了天线。这种情况称为“谐振”，因为馈入天线的电能辐射到自由空空间。图2。基本偶极天线
偶极天线基本
天线通过称为“天线馈电”的传输线馈电给天线。在这个长度上，电压和电流驻波在导体的整个长度上形成，如图2所示。输入天线的电能以该频率的电磁辐射形式辐射到自由搜索空间空。天线由阻抗为50 ω的天线馈电，传输到自由空房间，阻抗为377 ω 2。因此，天线几何有两个最重要的考虑因素:1 .天线长度2。图2所示的λ/2长的天线称为偶极天线。然而，印刷电路板中的大多数天线通过以特定方式具有/4长度的导体来实现相同的性能。参见图3。通过在导体下方一定距离处接地，可以产生相同长度的图像(/4)。当组合在一起时，这些腿就像偶极天线一样工作。这种类型的天线被称为四分之一波长(/4)单极天线。PCB上的大多数天线都是在铜接地层上实现的四分之一波长天线。请注意，信号现在是单端的，接地层充当返回路径。
图3。四分之一波长天线
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四分之一波长天线
对于大多数PCB中使用的四分之一波长天线，重要的考虑因素是:
1。天线长度2。天线馈电3。接地平面的形状和尺寸以及返回路径3的天线类型如前一节所述，任何长度为/4的导体都暴露在自由空空间中，接地平面上的适当馈电可以是有效的天线。根据波长的不同，天线可以和汽车的调频天线或信标上的微小轨迹一样长。对于2.4 GHz应用，大多数PCB天线属于以下类型:1 .天线:这是一根在PCB上的自由空空间中延伸的导线，其长度与接地层上的/4匹配。这通常由50 ω 4传输线供电。由于其尺寸和三维暴露，线状天线提供了最佳的性能和无线电频率范围。金属丝可以是直的、螺旋形的或环形的。这是一个三维(3D)结构。天线高出PCB平面4-5 mm，伸入天线空。
图4:有线天线
导线天线
2。PCB:这是画在PCB上的痕迹。根据天线的类型和空之间的限制，这可以是直迹线、倒F迹线、曲折曲线、圆形迹线或具有摆动的曲线。在PCB天线中，天线是在PCB的同一平面内的二维(2D)结构；参见图5。由于裸露在自由空空间中的3D天线作为2D PCB走线连接到PCB平面，因此必须遵循以下准则。PCB天线需要更大的PCB面积，效率比线天线低，但更便宜。它易于制造，并且具有ble应用可接受的无线范围。
图5。PCB天线
PCB天线
3。芯片:这是一个内部有导体的小型集成电路天线。这在印刷PCB天线或支持3D线天线受限空时非常有用。带芯片天线的蓝牙模块参见图6。下图是天线和模块的尺寸和硬币的对比。图6。带芯片天线的赛普拉斯EZ BLE模块(10毫米×10毫米)
带芯片天线的赛普拉斯EZ BLE模块(10毫米×10毫米)
在下一部分，我们将采取措施来选择天线。
天线设计和射频布局
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