433MHz 至 930MHz 和 2.4GHz BOM 可调 PCB 天线
摘要
本文档介绍了一种固定 PCB 天线引线结构，用户可以通过更改 BOM 将其配置为在两种不同的运行模式下运行。用户可以将天线调谐到单一频率，以在 433MHz、470–510MHz 和 868–930MHz ISM 频带中运行；或者可以将天线配置为双频天线，除 2.4GHz 之外，该天线还可以在上述给定的频率之一下运行。
该天线可用于德州仪器 (TI) 在这些频带内工作的所有收发器和发送器。
该天线的总体尺寸要求为 43 x 25mm。该解决方案中天线为中等尺寸、成本低。下图展示了具有表面贴装外部元件 Z64 的 PCB 单极天线的布局。
商标
Other TMs
首字母缩写词
| 首字母缩写词 | 定义 |
|---|---|
| AUT | 受测天线 |
| BOM | 物料清单 |
| BW | 带宽 |
| CF | 校正因子 |
| CITA | 美国无线通信与互联网协会 |
| DK | 开发套件 |
DNM | 不安装 |
| EB | 评估板 |
| EIRP | 有效全向辐射功率 |
| EM | 评估模块 |
| ISM | 工业、科学和医疗 |
| NC | 未连接 |
| NHPRP | 接近水平面辐射功率 |
| NHPRP45 | 45 度角以内的接近水平面辐射功率 |
| OTA | 无线 |
| PCB | 印刷电路板 |
| RF | 射频 |
| SWR | 驻波比 |
| TRP | 总辐射功率 |
| VNA | 矢量网络分析器 |
1 PCB 天线介绍
本文档中介绍的天线为 PCB 弯折线单极天线，用户可通过更改 BOM 将其配置为单频天线或双频天线。可以通过天线 PCB 引线元件和天线匹配元件来设置谐振。这样天线就可以通过一个天线方向图设计来覆盖宽带范围。该天线的阻抗取决于所使用的模式。通过参阅图 1-1 可知，如果 L4 具有如图所示的长度，则有利于在 433–510MHz 左右运行。如果 L4 缩短一半 (19.0mm)，则有利于在 868–930MHz 下运行。
天线布局在电路板的顶层和底层，如图 1-1 所示；与单面布局解决方案相比，这可以降低电阻损耗并提供稍宽的带宽。如果采用单面布局，则天线下方的区域不能用于任何其他布线，因此利用该区域优化天线性能会更有利。
1.1 PCB 弯折线单极天线的实现
为了获得理想性能，应严格遵循天线尺寸，这一点非常重要。天线在 1.6mm 厚的 FR4 基板上实现。由于天线下方没有接地层，因此 PCB 厚度并不重要。如果使用不同的厚度，则可能需要更改匹配网络以获得理想性能。
在 PCB CAD 工具中实现天线的一种方法是从光绘文件中导入天线布局。请参阅 LAUNCHXL-CC1352P-4 参考设计中包含的文件。
如果天线在比天线宽的 PCB 上实现，重要的是要避免在天线的每一侧附近放置元件或避免接地层靠近天线的每一侧。如果正在使用的 CAD 工具不支持导入光绘文件，则可以使用图 1-1 和表 1-1。
图 1-1 LAUNCHXL-CC1352P-4| L1 | 16.0 mm | L5 | 7.0 mm |
| L2 | 2.0 mm | L6 | 1.4 mm |
| L3 | 24.0 mm | L7 | 3.0 mm |
| L4 | 38.0 mm | W | 2.0 mm |
最后一个天线段的理想长度始终取决于接地层的几何形状。对于小于 LAUNCHXL-CC1352P-4（小于四分之一波长）的接地层尺寸，可以增加最后一段的理想长度，或者根据新的接地层尺寸重新计算天线匹配。
1.2 匹配网络
TI 建议用户加入一个天线匹配网络，以对天线进行调谐并减少天线的失配损耗。接地层的几何形状会影响天线的阻抗。天线匹配网络可用于补偿由于封装和天线附近的其他物体引起的失谐。天线匹配网络的类型取决于天线的模式。
建议在天线的馈电点针对单频模式使用 π 型匹配网络。有关阻抗匹配和阻抗测量的更多信息，请参阅 AN058。不过，本应用手册中所述的天线是双频天线，可同时支持 433、470–510 或 868/915/920MHz（低频带）和 2.4GHz（高频带）频带。因此，不建议使用 π 型匹配解决方案，而建议使用 LC、CL 匹配网络， 如 图 1-2 所示。这也是在本应用手册中用于测试的 LAUNCHXL-CC1352P-4 上实现的匹配网络。
LC（Z60 和 Z61）部分匹配高频带，CL（Z62 和 Z63）部分匹配低频带。
对于单频运行，无 2.4GHz 谐振，Z60 可以替换为 0 欧姆，Z61 保留为 DNM。Z62 和 Z63 既可以是电感器也可以是电容器，以便将阻抗匹配到 50 欧姆。
图 1-2 双频运行的 LC、CL 匹配网络2.1 辐射方向图
图 2-1 展示了如何将本应用手册中的辐射方向图与天线的方向相关联。
请注意，接地层的尺寸会影响辐射方向图。因此，在具有不同尺寸和形状的接地层的电路板上实现该天线很可能会影响辐射方向图。
图 2-1 天线辐射图的 XYZ 坐标3 不匹配的结果
3.1 史密斯圆图 - 无天线匹配元件的自然阻抗
图 3-1 展示了未采用天线匹配元件时的天线史密斯圆图（Z60：0 欧姆，Z63：0 欧姆，Z61：DNM，Z62：DNM，Z64：0 欧姆）。
3.2 史密斯圆图 - 采用外部元件 Z64 时的阻抗
为了将天线频率范围从 868-930MHz 和 2.4GHz 扩展到支持 433MHz 和 470-510MHz 频带，需要在 Z64 位置增加一个电感器。通过加入额外的电感 Z64，在相同的天线结构下，频率范围可以扩展至 433–930MHz 和 2.4GHz；请参阅图 3-2。当运行频率高于 868MHz 时，不需要采用 Z64，但可以在 Z64 封装结构中使用一个 0 欧姆的电阻器或电容器。通过更改 Z64 的值，可以使天线在相同的天线结构下以不同的频率谐振。频率低于 868MHz 时需要采用电感，频率高于 868MHz 时需要采用电容。例如，运行频率为 433MHz 时，建议设置为 51nH；请参阅表 3-1。
图 3-2 显示 Z64 的天线原理图符号| 频率 [MHz] | 值 |
|---|---|
| 433MHz | 51nH |
| 470MHz | 39nH |
| 490MHz | 33nH |
| 510MHz | 27nH |
| 892MHz(1) | 2pF |
4 单频匹配和结果
本节介绍 CTIA 测量汇总结果。请注意，性能会受到接地平面尺寸和形状的影响。
在将天线匹配到 50 欧姆时，史密斯圆图工具可以很好地指示匹配天线所需的元件值。不过，史密斯圆图给出的理论阻抗与实际值之间会存在偏差。因此，可能需要进一步调节以实现良好的匹配。
4.1 433MHz 史密斯圆图、SWR、带宽和效率
图 4-1 展示了用于匹配单频 433MHz 天线的理论史密斯圆图，理论 SWR 为 1.026。
图 4-1 单频 433MHz 匹配的理论史密斯圆图在实现理论匹配后，需要进一步调节天线的谐振。图 4-2 和图 4-3 展示了得到的阻抗和 SWR（为 1.05）小于 SWR < 2.0 的良好匹配阈值。表 4-1 展示了用于实现图 1-2 所示匹配网络的元件的 BOM。
在图 4-3 中可以看到，SWR < 2.0 定义的天线带宽为 444.78 - 422 = 22.78MHz。
| 参考标识符 | Murata 器件型号 | 值 |
|---|---|---|
| Z60 | 0Ω | |
| Z61 | DNM | |
| Z62 | GRM0335C1H4R3CA01 | 4.7pF |
| Z63 | LQP03TN2N0B02 | 2nH |
| Z64 | LQP03TN51NH02 | 51nH |
图 4-4 展示了 13dBm 433MHz 设置下匹配 433MHz 的天线辐射方向图。图中显示 TRP 为 5.25dBm，在测量的传导输出功率为 12.42dBm 的情况下，可得效率为 19.19%。
4.2 470MHz 史密斯圆图、SWR、带宽和效率
图 4-5 展示了用于匹配单频 470MHz 天线的理论史密斯圆图，理论 SWR 为 1.025。
图 4-5 单频 470MHz 匹配的理论史密斯圆图在实现理论匹配后，需要进一步调节天线的谐振。图 4-6 和图 4-7 展示了得到的阻抗和 SWR（为 1.074）小于 SWR < 2.0 的良好匹配阈值。表 4-2 展示了用于实现图 1-2 所示匹配网络的元件的 BOM。
在图 4-7 中可以看到，SWR < 2.0 定义的天线带宽为 490 - 465 = 25MHz。
| 参考标识符 | Murata 器件型号 | 值 |
|---|---|---|
| Z60 | 0Ω | |
| Z61 | DNM | |
| Z62 | GRM0335C1H5R1CA01 | 5.1pF |
| Z63 | LQP03TN6N2B02 | 6.2nH |
| Z64 | LQP03TN39NH02 | 39nH |
图 4-8 展示了 13dBm 470MHz 设置下匹配 470MHz 辐射的天线辐射方向图。图中显示 TRP 为 8.06dBm，在测量的传导输出功率为 12.65dBm 的情况下，可得效率为 34.8%。
