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在無線通信中天線性能嚴重影響產(chǎn)品的性能。 在藍牙應用中,板載天線是一種重要的天線形式,本文介紹一下板載天線設計中的關鍵點,并給出相應的參考方案。
(資料圖片)
射頻組成
BLE芯片的射頻部分一般都由三部分組成:
?匹配網(wǎng)絡——將芯片引腳出來的信號匹配到50歐姆,并濾除部分高頻雜波
?傳輸線——連接匹配網(wǎng)絡和天線,根據(jù)PCB的實際布局,可以省去
?天線——將電流信號轉(zhuǎn)換成射頻信號的關鍵部分,本文以PCB天線進行說明
PCB天線選擇
天線的本質(zhì),是將電流信號轉(zhuǎn)化為電磁波的裝置,包括導線天線、PCB天線、陶瓷天線等形式。
PCB天線因為不需要額外的BOM成本,以及優(yōu)秀的性能,是許多射頻設計中的最優(yōu)選擇。
推薦下面三種經(jīng)典的PCB天線,用戶可以根據(jù)自身線路板尺寸和性能要求進行選擇。
1、蛇形線F天線
1)需要空間
天線空間:14.5mm*6mm
板厚:1.2mm
2)測試條件
3)增益:1.6db
4)帶寬:150MHz
5)方向圖
天線放置
XOY方向
YOZ方向
2、倒F天線
1)需要空間
天線空間27mm*7.5mm
板厚:1.2mm
2)測試條件
3)增益:2.4db
4)帶寬:560MHz
5)方向圖
天線擺放:
XOY方向圖
YOZ方向圖
3、蛇形倒F天線變種
1)需要空間
天線空間:11.5mm*7.5mm
板厚:1.2mm
2)測試條件
相對前兩種天線,這種倒F天線需要背面的地突出一塊(另外兩種天線背面的地與正面是一致的),連接短路枝節(jié)的過孔。 具體差別見第五部分鋪地。
3)增益:1.6db
4)帶寬:170MHz
5)方向圖
天線放置:
顯示:
退化:
匹配網(wǎng)絡
從射頻引腳到傳輸線之間,要經(jīng)過一段匹配網(wǎng)絡,這段匹配網(wǎng)絡的主體是一個π型濾波網(wǎng)絡(C11,L1,C12)和一個隔直電容。
對于大部分設計來說,使用上圖中推薦的器件參數(shù),就可以獲得良好的射頻效果。
也要注意,由于PCB生產(chǎn)工藝、材質(zhì)、布局等差異,每一款線路板都會呈現(xiàn)出與其他線路板不同的參數(shù)。
如果想獲得最佳的射頻效果,需要使用網(wǎng)絡分析儀和仿真軟件對匹配網(wǎng)絡進行調(diào)試,這部分內(nèi)容過于復雜,本文不予說明。
傳輸線
在匹配網(wǎng)絡之間,根據(jù)線路板的具體情況,往往需要連接一段傳輸線,這段傳輸線需要進行50歐姆的阻抗匹配,這一段傳輸線的匹配程度對于射頻整體效果至關重要。
傳輸線50歐姆阻抗的調(diào)節(jié),主要受到三個參數(shù)的影響:
?傳輸線的寬度
?傳輸線與地平面(天線所在面)的間距
?傳輸線與參考地的距離(對于雙層板來說,也就是線路板的板厚)
另外,也會受到銅皮厚度(默認使用1oz)、綠油厚度、線路板材質(zhì)等參數(shù)差異的影響,但影響最大的還是上面的三個參數(shù)。
可以讓PCB廠家針對某一段傳輸線進行阻抗匹配,也可以自己使用軟件進行計算,得出合適的參數(shù),推薦使用Txline或者Polar Si9000。
對于特定厚度的線路板,也可直接使用下圖中的尺寸進行設計:
板厚(mm) | 線寬(Mil) | 與地距離(mil) |
---|---|---|
0.8 | 32 | 8個 |
1個 | 36 | 8個 |
1.2 | 36 | 7 |
1.6 | 36 | 6個 |
鋪地
使用PCB天線時,線路板需要進行良好的鋪地。
PCB天線所在層,以及選為參考地的層,要有良好的鋪地,尤其是參考面的地。
在鋪地上,需要注意的包括:
?在射頻走線的下方,不要有其他的走線(對于多層板來說,這個要求不僅限于參考地層)。
?地層要盡量平整、連續(xù),尤其是參考地層的地。
?PCB天線所在層與參考地層要多打過孔,在傳輸線和匹配網(wǎng)絡的周圍要連續(xù)而緊密地打過孔。
?PCB天線下方一定要嚴格凈空,不可留有任何金屬結構。
對于大部分PCB天線來說,天線層和參考地層的鋪地形狀完全一致,但是上面介紹的第三種天線,由于短路枝節(jié)接地的需要,參考層的地平面需要比天線層多出一塊,如下面兩圖所示:
天線面:
參考面:
如果產(chǎn)品中使用的是藍牙模塊,模塊在母板貼裝時,對母板也有相應的技術要求。使用桃芯藍牙的伙伴,如有需要,可以免費申請相關的參考設計以及相關的技術咨詢。
審核編輯:湯梓紅
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