ISM頻帶及短距離無線通信設(shè)備天線基礎(chǔ)(第三章)

1、ISM頻帶及小范圍設(shè)備天線基礎(chǔ):第三章在此將介紹RF和天線的基礎(chǔ)知識(shí)以及實(shí)際的天線設(shè)計(jì)原理。Matthew Loy,Iboun Sylla,德州儀器小型環(huán)狀天線 13. 帶差分饋入的小型環(huán)狀天線如圖13所示的環(huán)狀天線具有差分饋入端。通常情況下,接地平面將作為此環(huán)路的一部分,從而形成如圖14所示的單端饋入。 14. 單端環(huán)狀天線上圖的小箭頭指示了電流流經(jīng)環(huán)路的方向。在接地平面上,電流主要集中于地表面。因此,如圖14所示的架構(gòu)的電學(xué)性質(zhì)與圖13所示的差分饋入環(huán)路類似。下列關(guān)于小型環(huán)狀天線的考慮因素基于參考文獻(xiàn)4,并假定流經(jīng)環(huán)路的電流恒定。這就意味著環(huán)形周長必須小于波長的十分之一。雖然此類尺寸較為少

2、見,但所給出的公式描述了主要的性質(zhì)并可作為環(huán)狀天線設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)。若環(huán)路中的電流恒定,我們可將環(huán)路看作感應(yīng)系數(shù)(inductance為L的輻射電感,此處,L是繞線或PCB跡線的電感值。此電感L與電容C一并構(gòu)成了諧振電路。通常情況下,所附加的電阻可降低天線的品質(zhì)因數(shù),并使得天線對元件的容差有更好的容忍度。毫無疑問,此添加的電阻還將消耗一定的能量并降低天線的效率。下列計(jì)算中,所采用的圓形環(huán)路的半徑為a,方形環(huán)路的邊長為a。邊長為a1及a2的矩形天線大約等效于邊長為a的方形天線,a如下計(jì)算: 用于構(gòu)建環(huán)路的繞線長度(周長稱之為U,對于圓形環(huán)路來說U=2a,對于方形環(huán)路來說U=4a。圖15展示了小型環(huán)狀

3、天線的等效示意圖。 15. 圖13中小型環(huán)狀天線的等效示意圖環(huán)狀天線的輻射阻抗較小,典型值小于1 。損失電阻R loss記述了環(huán)路導(dǎo)體的電阻損失及電容的損失(以ESR等效串聯(lián)電阻表示。通常情況下,電容的等效串聯(lián)電阻是不能被忽視的。有意思的是,銅箔片的厚度無需納入損失電阻的計(jì)算,由于趨膚效應(yīng)(skin effect,電流將局限于導(dǎo)體的表面。環(huán)路的電感L(即繞線的電感結(jié)合電容C構(gòu)成了串聯(lián)諧振電路。在實(shí)踐中,該諧振電路的L-C比率較大,給出了較高的品質(zhì)因數(shù)(Q,從而使得天線對元件的容差較為敏感。這就是時(shí)常附加衰減電阻R att以降低Q值的原因。為了描述R att對環(huán)路天線的影響,我們進(jìn)行了并串轉(zhuǎn)換,

4、并采用等效串聯(lián)電阻R att_trans表示。R att_trans的電阻值取決于電容及環(huán)路幾何尺寸的可接受容差。最大可用品質(zhì)因數(shù)可通過電容容差C/C計(jì)算得出: 所轉(zhuǎn)化得到的串聯(lián)衰減電阻為: 環(huán)路天線效率為: 很多情況下,輻射電阻遠(yuǎn)小于損失電阻及轉(zhuǎn)換衰減電阻,使得效率極為低下。此類情況下,效率約為: R r取決于環(huán)路面積,對于圓形環(huán)路來說面積為a2,對于方向回路來說面積為a2,而對于矩形回路來說面積為a1a2。圖16展示了小型環(huán)狀天線的效率相對于其直徑的變化,在此假設(shè)容差為5%。跡線寬度假設(shè)為1mm,銅箔片的厚度假設(shè)為50 um,但上述兩參數(shù)對效率的影響極其微弱,效率主要取決于衰減電阻R at

5、t。與所預(yù)想的情況一致,效率將隨直徑增加而提高。 16.容差為5%時(shí),小型環(huán)路天線的效率如果我們采用如圖14所示電路饋入環(huán)狀天線,圖15中的串聯(lián)等效電路則描述了天線的阻抗。即使算上R att,總的串聯(lián)電阻也不大,通常小于10 。而如果我們直接從電容端饋入天線,其并聯(lián)等效電路也可描述天線的阻抗。小串聯(lián)損失電阻將轉(zhuǎn)換為較大的并聯(lián)電阻,通常為幾千歐。在兩種等效電路中,要匹配至50 都不容易。這就是環(huán)狀天線通常采用搭接(tapped的原因,以使其阻抗介于較大值及較小值之間。圖17為示例電路: 17. 搭接環(huán)狀天線的PCB示例串聯(lián)饋入(于右下角將產(chǎn)生較小的阻抗。并聯(lián)饋入(直接連至電容則將產(chǎn)生極大的阻抗。

6、在此示例中,搭接提供了約為50的阻抗。環(huán)路的電容被劃分為兩個(gè)串聯(lián)的電容C1及C2,從而有可能實(shí)現(xiàn)非IEC標(biāo)準(zhǔn)的電容值。R1作為衰減電阻將降低電路的Q值,從而增加帶寬,并隨之降低對元件容差的需求。但可惜的是,沒有公式能輕易的描述此類搭接構(gòu)造并給出適當(dāng)?shù)拇罱佣ㄎ稽c(diǎn)。從天線終端至搭接端的線路并不是傳輸線,不會(huì)影響天線的電磁場。因此,我們必須通過電磁仿真找出最優(yōu)化的架構(gòu)。而試錯(cuò)法(trial and error procedure則常用于替代電磁仿真。例如,采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀,我們可以確定一個(gè)某一電容,以產(chǎn)生最小回波損失及最大的阻抗值,從而給出所需的帶寬。環(huán)狀天線在構(gòu)成環(huán)路的平面上給出了線性極化的電場

7、矢量振蕩。與上述所討論的天線截然不同的是,環(huán)狀天線是磁天線,從而意味著此類天線不會(huì)受其反應(yīng)近區(qū)場內(nèi)材料介電常數(shù)的影響。這就是環(huán)狀天線通常用于手持或易受體溫影響的設(shè)備的原因。表2對所討論天線的特性進(jìn)行了比較。 天線設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)準(zhǔn)則(Rules of Thumb 我們可將上文所涉及的考慮因素歸納為以下的經(jīng)驗(yàn)準(zhǔn)則： 如果可用空間足夠大，采用半波振子天線（對于差分饋入）或四分之一波長 單極天線（對于單端饋入）以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的效率。 盡可能的保持天線周圍空間的空曠，以避免引入介電材料，例如電子元件、 外殼或使用者的肢體。 某些情況下，介電材料無可避免的會(huì)出現(xiàn)在反應(yīng)近區(qū)場內(nèi)。此時(shí)，在實(shí)際應(yīng) 用條件下測量天線阻抗，

8、并匹配至所需的特征阻抗。 由于空間的限制，四分之一波長單極天線的接地平面通常較小。此時(shí)，應(yīng)在 饋端周圍配置盡可能大的接地平面，測量所得到的天線阻抗并匹配至所需的 特征阻抗。虛接地(counterpoise通過四分之一波長導(dǎo)體在天線的饋端附近連 接至地，可實(shí)現(xiàn)較好的性能。虛接地應(yīng)盡可能的垂直于單極型輻射體。 在使用預(yù)先生產(chǎn)天線時(shí)，需要注意的是其特性卻決于所連接的地平面。僅當(dāng) 接地平面的尺寸及形狀均與制造商的評估板一致時(shí)，方可達(dá)到制造商所標(biāo)明 的規(guī)格。在其它情況下，用戶需要在實(shí)際應(yīng)用條件下測定預(yù)先生產(chǎn)的天線的 阻抗，并匹配至所需的特征阻抗。 小型環(huán)狀天線對其反應(yīng)近區(qū)場內(nèi)的介電常數(shù)變化并不敏感。因而

9、小型環(huán)狀天 線是不錯(cuò)的便攜式及手持設(shè)備解決方案，但其效率卻要比電子天線低了許 多。僅當(dāng)環(huán)狀天線的周長小于波長的十分之一時(shí)，方可認(rèn)為是純粹的磁天 線。較大的環(huán)路具有較高的增益，但同時(shí)也對周圍環(huán)境的狀況更為敏感。 尺寸因素：必須始終注意的是 Chu 及 Wheeler 所提出的限制在給定天線 尺寸時(shí)確定了產(chǎn)品的帶寬及效率。超小型的天線總是在效率和容差敏感性上 有一定的折衷。 TRF6901 參考設(shè)計(jì)中的天線 圖 18 展示了TRF6901參考設(shè)計(jì)中所采用的天線構(gòu)造。 18. TRF6901 參考設(shè)計(jì)中的 PCB 天線布線 從饋入端開始，兩條不同長度的腳線并行連接至 PCB 板的地平面，并可以在 后

10、端通過 SMD（表明貼狀設(shè)備）元件終接至地。取決于所采用的終端單元的不 同，其布線可使用倒 F 型天線或搭接小型環(huán)路天線。 較短的腳線通常采用的 0 電阻終接。若較長的腳線開路，可實(shí)現(xiàn)倒 F 型天 線。而使用電阻及電容并聯(lián)終接長腳線至地，則可實(shí)現(xiàn)類似于圖 17 所示的搭接環(huán) 狀天線；1 k 及 0.5 pF 的元件可使環(huán)路諧振與 915MHz。 當(dāng)采用環(huán)狀天線設(shè)計(jì)時(shí)，我們必須考慮與波長相關(guān)的PCB板上的環(huán)路周長。天 線的跡線寬度在參考設(shè)計(jì)中為 1.5 mm，PCB材料的厚度也為 1.5 mm。由于其相似 性，我們可根據(jù) 2.2 章節(jié)的內(nèi)容計(jì)算出有效介電常數(shù)eff = 3.1。則PCB板上 915MHz 信號(hào)的波長為： 參考設(shè)計(jì)中環(huán)路的周長為