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環(huán)境對天線性能的影響 通常消費類產(chǎn)品中所使用的天線對PCB射頻接地層的大小和產(chǎn)品的塑料外殼非常敏感。可將天線模擬為一個LC諧振器，當(dāng)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(jīng)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(chǎn)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(diào)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(guān)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(guān)系也會越好。這是進行天線設(shè)計中的關(guān)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(chǎn)品的塑料外殼對天線的影響，要使用一個無線鼠標(biāo)進行實驗，如圖27所示。將賽普拉斯MIFA放置在無線鼠標(biāo)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(nèi)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(diào)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(nèi)。 產(chǎn)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(cè)面。 § 不能將金屬外殼完全覆蓋天線。如果產(chǎn)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(yīng)該符合最終產(chǎn)品的方向，這樣使天線在所需的方向上具有最大的輻射。 § 應(yīng)該具有足夠的空間：接地層越大，MIFA、IFA、芯片天線和導(dǎo)線天線的S11參數(shù)值(回波損耗)會越高。 § 天線正下方不應(yīng)該存在任何接地層。請參考圖14。這個設(shè)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(yīng)該最小。請參考圖10、圖15和圖21。 天線調(diào)試 天線調(diào)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(zhí)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(diào)試和Balun調(diào)試均被稱為天線調(diào)試。 圖28.調(diào)試和匹配網(wǎng)絡(luò)的參考圖 50Ω參考點被連接至具有一個端口網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)分析儀。進行天線調(diào)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(diào)試期間，會斷開同天線匹配組件的連接。 以下章節(jié)將詳細(xì)說明如何使用網(wǎng)絡(luò)分析儀來調(diào)試天線。雖然這里僅顯示了一個Pioneer套件無線鼠標(biāo)的調(diào)試程序，不過該程序適用于所有天線調(diào)試。 調(diào)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(diào)，并且影響了回波損耗。因此，天線調(diào)試過程包括兩個步驟：首先，將PCB空板調(diào)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(diào)試。 使用網(wǎng)絡(luò)分析儀來檢查天線調(diào)試。在第一個步驟中，先校準(zhǔn)該網(wǎng)絡(luò)分析儀，然后通過調(diào)整匹配網(wǎng)絡(luò)組件和驗證Smith圖表中的調(diào)試進行天線調(diào)試。 調(diào)試過程中會使用： § 安捷倫(Agilent)8714ES網(wǎng)絡(luò)分析儀(已校準(zhǔn)) § Pioneer套件鼠標(biāo)(如DUT) § 電氣延遲時間為350ps的半剛性電纜 § 質(zhì)量的射頻組件目錄(Johanson套件P/N  402DC)調(diào)試過程主要步驟為： 1.準(zhǔn)備ID 2.設(shè)置并校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)分析儀 3.PCB空板調(diào)試。如同圖中所示，標(biāo)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(diào)整調(diào)試 準(zhǔn)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(zhí)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(diào)試準(zhǔn)確度就越高。根據(jù)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(wǎng)絡(luò)分析儀的直流電。 圖29.同軸線纜的連接點 設(shè)置并校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)分析儀 1.使用3.5mm校準(zhǔn)套件進行校準(zhǔn)。接下來，將網(wǎng)絡(luò)分析儀的校準(zhǔn)套件設(shè)置為3.5mm后，按下Agilent8714ES上的cal(校準(zhǔn))按鍵。您也可以使用其他校準(zhǔn)套件，如N型校準(zhǔn)套件。 2.按下頻率按鍵，分別將啟動頻率和停止頻率設(shè)置為2GHz和3GHz，將格式設(shè)為Smith圖表。 3.按下marker(標(biāo)記)按鍵，將各標(biāo)記的頻率分別設(shè)為2.402GHz、2.44GHz和2.48GHz。 4.按下cal(校準(zhǔn))按鍵，選擇網(wǎng)絡(luò)分析儀上的S11并將其設(shè)為用戶1端口校準(zhǔn)。 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(wǎng)絡(luò)分析儀會計算系數(shù)，并將50Ω加載顯示為Smith圖表上明確標(biāo)記為50,0的參考點。 8.通過按下‘scale’按鍵并正確設(shè)置電氣延遲，可調(diào)試同軸線纜和設(shè)置電氣延遲。 調(diào)試PCB空板 想要調(diào)試PCB空板，先要確定天線的阻抗，然后根據(jù)匹配網(wǎng)絡(luò)組件，在所需頻帶內(nèi)使回波損耗低于10db。 1.將一個8.2pF大小的電容與天線串聯(lián)起來。在所需頻帶內(nèi)，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(zhí)行阻抗轉(zhuǎn)換使用拓?fù)涫固炀�阻抗變?yōu)?0Ω。賽普拉斯MIFA或IFA的大部分匹配網(wǎng)絡(luò)(圖31所示)是由兩個組件構(gòu)成的。 圖31.匹配網(wǎng)絡(luò) 可以使用標(biāo)準(zhǔn)的開源工具(如Bern研究院的SmithV3.10)對匹配網(wǎng)絡(luò)組件進行仿真。通過將0.45pF的并聯(lián)電容和3.6nH的串聯(lián)電感連接到天線，可以將天線阻抗轉(zhuǎn)換為50Ω,，從而能夠在所需的頻帶中去除虛擬部分。由于準(zhǔn)確值不可用，因此我們要選擇一個0.5pF的并聯(lián)電容和一個3.6nH的串聯(lián)電感。 圖32.在Smith圖表中轉(zhuǎn)換為50Ω 以下顯示的是匹配網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)分析儀觀察到的阻抗。 圖33.理論匹配網(wǎng)絡(luò) 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(xiàn)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(gòu)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(yīng)用，需要選擇一個0.7pF的電容和一個1.2pF的串聯(lián)電容，以得到諧振。 圖34.實際的匹配網(wǎng)絡(luò) 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(diào)整該電感。這是調(diào)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(biāo)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?fù)軗p耗。大于15db的回波損耗符合我們的應(yīng)用。 圖36.使用實際組件時的回波損耗 如同圖中所示，標(biāo)志1、2和3的回波損耗大于15db。 使用塑料和人體接觸來調(diào)整調(diào)試 PCB的塑料外殼更改了天線調(diào)整。所有天線均受到近場或遠(yuǎn)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(diào)，并且在2.402G到2.482G的優(yōu)選頻帶內(nèi)它的回波損耗會低于10db。因此，調(diào)試PCB空板后，需要使PCB保持在塑料外殼內(nèi)，并使用鼠標(biāo)重新檢測調(diào)試。這樣操作很復(fù)雜，尤其是還要將同軸電纜引出塑料裝配外。通過在ID內(nèi)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?qū)⒁恢皇址旁谒芰贤鈿ど厦?如同用戶使用鼠標(biāo)時)進行檢查調(diào)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(jié) 本應(yīng)用筆記簡單介紹了如何使用PRoCBLE/PSoCBLE輕松設(shè)計自定義產(chǎn)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(guān)于作者姓名：Tapan Pattnayak 職務(wù)：高級系統(tǒng)主管工程師 背景：2002年，Tapan在印度Kharagpur技術(shù)學(xué)院(IITKharagpur)獲得了電氣工程技術(shù)學(xué)士學(xué)位。目前，他在美國圣何塞的賽普拉斯半導(dǎo)體技術(shù)公司任職。 聯(lián)系方式：tapi@cypress.com |
