賽普拉斯PRoC/PSoCBLE的天線
設計BLE的一個受限因素便是需要在一個緊湊的空間中集成天線，並且最多隻能使用兩個外部組件進行調整。調試過程需要確保在某個頻帶內進行傳輸時應儘可能保持傳入天線的能量。這便意味着，所需帶段中的回波損耗要大於10dB。當天線的輸入阻抗爲50Ω，並且芯片輸出阻抗爲50Ω時，天線收到的能量最大。天線作爲接收端時，也要滿足上述條件。對於天線來說，它的調整過程能夠確保天線的阻抗等於50Ω。對於芯片來說，Balun(平衡器)調整過程可保證電阻接近50Ω。
PRoC/PSoCBLE器件中集成平衡器的阻抗並不等於50Ω，所以可能需要通過兩個組件對其進行調整。對於射頻範圍較小的低數據速率應用，賽普拉斯所推薦的PCB天線不需要通過任何組件來調整天線。
對於高數據速率的應用(如通過遙控器的聲音識別應用)，建議至少需要使用四個組件進行匹配網絡。其中兩個用於平衡器調整，其餘兩個用於天線調整。可使用其中兩個進行調整過程，剩下的兩個保持待用狀態。
此外，賽普拉斯PRoC/PSoC還提供了不同的應用，如室內定位、智能家居、智能電器以及傳感器集線器。這些應用可能不受空間的限制，因此，可以針對射頻範圍和射頻方向圖等因素爲這些應用設計更好的天線。導線天線非常適合非穿戴式但位置固定的應用。
很多應用直接在其主PCB中嵌入了賽普拉斯的該類模塊，用以實現無線連接。這些應用要求通過FCC的低成本小型模塊。這時可以使用滿足這些要求的芯片天線。
雖然使用2.4GHz頻段的應用很多，但大多數BLE應用僅使用了下面介紹的雙PCB天線。賽普拉斯推薦使用兩種專有的PCB天線、蛇形倒F天線(MIFA)和倒F形天線(IFA)，它們是針對BLE應用而特性化和廣泛模擬的天線。特別是MIFA，可將它用於幾乎所有的BLE應用中。
但您也可以從本文檔中選出任何一款符合您的應用要求的天線。
賽普拉斯專有的PCB天線：
賽普拉斯推薦使用IFA和MIFA這兩種PCB天線。BLE應用中的低速率和典型的輻射圍範使這兩種天線特別有用。這些天線既便宜又容易設計，這是因爲它們是PCB的組成部分，並且能夠在150至250MHz的頻段範圍內提供良好的性能。
建議將MIFA天線使用在僅需極小的PCB空間的應用中，如無線鼠標、鍵盤、演示機等等。對於IFA天線，建議將其應用在要求天線一側的尺寸遠小於另一側的尺寸的應用中，如心率監視器。大多數BLE應用中使用的是MIFA天線。下面各節將詳細介紹每種天線的信息。
1、蛇形倒F天線(MIFA)
MIFA是一種普通的天線，被廣泛地使用在各個人機接口設備(HID)中，因爲它佔用的PCB空間較小。因此賽普拉斯已設計出一種結實的MIFA天線，而它能在較小的波形係數中提供優越的性能。該天線的尺寸爲7.2mm×11.1mm(相當於284密耳×437密耳)，因此它很適合於各種HID的應用，例如無線鼠標、鍵盤或演示機等。圖10顯示的是所推薦的MIFA天線的詳細布局，其中包含了雙層PCB的頂層和底層。這種天線的跡線寬度均爲20密耳。“W”的值是可改變的主要參數，它取決於PCB堆棧間隔，它表示RF走線(傳輸線)的寬度。
圖10.MIFA佈局 和 頂層(天線層)
底層(RF接地層)
表2.FR4PCB的“W”值：天線層與相鄰射頻的接地層間的厚度。
表2顯示的是雙層FR4 PCB頂層和底層間厚度的“W”值(相應的介電常數爲4.3)。頂層包含了天線走線;而底層則是包含了固態RF接地層的下一層。底層的餘下PCB空間可以作爲信號接地層使用(針對PRoC/PSoC和其他電路)。圖11顯示的是典型的雙層PCB厚度的“W”值。
圖11.PCB厚度說明
對於爲天線饋電更短的PCB走線，這樣的寬度要求是比較寬鬆的。要確保天線走線的寬度和天線饋電接點的寬度相同。在圖12展示的情況中，天線饋電的走線寬度不是表2中所規定的寬度。
圖12.短走線的天線饋電寬度
但如果傳輸線較長(從匹配網絡至天線或回到PRoC/PSoC的ANT引腳的線的長約爲1cm)，那麼賽普拉斯建議使用底層上寬度特定的“W”的傳輸線(TLine)類型(該線被放置在PCB上)作爲饋源。
圖13表示的是MIFA的S11。該MIFA的帶寬(S11≤–10dB)範圍爲2.44GHz±230MHz。因此，在2.44GHz±230MHz的範圍內，天線的反射小於或等於10%，這樣將夠用於BLE應用。
圖13.MIFA的S11(回波損耗=–S11)
圖14顯示的是MIFA在2.44GHz頻率時完整的3D輻射增益圖。在給自定義應用設置MIFA天線時，該信息非常有用，有助於在需要的方向上得到最大的輻射。在上面的圖中：MIFA被放置在XY平面上，Z軸方向與它垂直。
圖14.MIFA的3D輻射增益圖
提供該輻射圖，可以知道：最大的輻射出現在與X軸成30°角度的圓錐空間內。這是因爲MIFA在XY平面上不能保持正橫或正豎的方向。MIFA豎向部分和末梢和均參加了輻射，並形成一個傾斜的輻射圖。
天線長度的考量
根據PCB的不同厚度，需要調整MIFA天線的長度，這樣才能調整天線輻射的阻抗和頻率選擇。根據不同的電路板厚度，賽普拉斯提供了下面各天線長度。
圖15.MIFA的長度
表3.豎向部分和末梢的長度(L_Tip/L_leg)
圖15顯示的是兩種適用於兩個不同電路板厚度的MIFA天線。設計人員根據特定的電路板厚度進行調整MIFA天線的長度時，請參考表3。
2、倒F天線(IFA)
對於天線的尺寸有一定限制條件的應用中(例如心率監視器)，推薦您選用這種IFA。圖16顯示所推薦的IFA的詳細布局，其中包含了雙層PCB中的頂層和底層。其走線寬度約爲24mm。
對於厚度爲1.6mm的FR4PCB，IFA的尺寸被設計爲4mm×20.5mm(157.5mils×807mils)。與MIFA相比，IFA的寬高比(寬度和高度的比例)更大。
圖16.IFA佈局
和 頂層(天線層)
底層(RF接地層)
注意：有關1.6mm厚的FR4PCB的Gerber文件(和.brd文件)，請參考www.cypress.com/go/AN91445網頁上的AN91445.zip文件。
饋電走線的寬度“W”受產品中PCB堆棧的影響。表4根據頂層(天線層)和底層(相鄰射頻接地層)間不同的PCB厚度給FR4基板提供了相應的“W”值(相應的介電常數爲4.3)。頂層包含天線跡線;而底層則爲其緊挨的包含了固態RF接地層的下一層。底層上剩餘的PCB空間可以作爲信號接地平面使用(對於PRoC/PSoC和其他電路)。圖17將典型的雙層PCB的“PCB厚度”的概念與“F”值聯繫起來。
表4.FR4PCB的“F”值：天線層與相鄰射頻的接地層間的厚度。
圖17.PCB厚度說明
對於小於3mm的短走線，天線饋電厚度是可以調整的。天線饋電的厚度可以與天線走線厚度相同，請參見圖12。
IFA在220MHz的帶寬上(S11≤–10dB)的頻率約爲2.44GHz，如圖18中所示。
圖18.IFA的S11(回波損耗=-S11)
圖19顯示的是IFA在XY平面上的定性輻射圖。在爲客戶應用設置IFA天線時，該信息非常有用，有助於在需要的方向上得到最大的輻射。爲了便於觀察，圖中只顯示了定性輻射的方向。有關所有XY、YZ、ZX平面上詳細的輻射圖，請聯繫賽普拉斯的技術支持。
圖19.IFA的定性2D輻射增益圖
芯片天線
對於PCB尺寸非常小的利基應用(例如藍牙收發器)，芯片天線不失爲一種很好的辦法(圖20)。它們是現成的天線，佔用的PCB空間最小，並且能夠提供較好的性能。但芯片天線增加了材料清單(BOM)，並需要裝配費用。因爲它要求訂購和裝配外部組件。通常，芯片天線的價格約爲10-50美分，具體價格取決於尺寸和性能。
圖20.芯片天線
使用芯片天線時，也應考慮另一個關鍵因素：它受輻射接地面積的影響。所以，必須遵循廠家對接地面積的推薦。與PCB天線不同，芯片天線不能通過改變天線長度來調整。另外需要一個匹配網絡才能調整該天線，因此會增加更多的材料清單。
賽普拉斯只推薦將芯片天線使用在要求PCB空間極小的特定應用中，例如：Nano藍牙收發器。對於這樣的應用，賽普拉斯建議使用具有約翰森技術的2450AT18B100E芯片天線，其尺寸爲63milx126mil。而對於大部分應用，則建議使用PCB天線，如MIFA或IFA。這些小外形(佔用空間小)天線不但廉價，而且提供的性能非常卓越。圖21和圖22顯示的是具有約翰森技術的2450AT42B100E芯片天線佈局指南。其尺寸爲118milx196mil。更多有關這些天線的詳細指南，請參考它們相關的網址。
圖21.具有約翰森技術的2450AT42B100E芯片天線的佈局指南
該佈局也顯示了50Ω的饋電傳輸線以及與其相匹配的組件。饋電傳輸線的寬度取決於電路板的厚度。表4中指定了準確的電路板厚度。
圖22.與產品網頁中相同的約翰森技術天線的佈局指南。
芯片天線的性能是由接地層決定。一般來說，它們需要更多的接地面積和更大的空間。如上圖所示，對於2450AT42B100E的天線，最小的接地距離爲0.8mm。該間距爲2-3mm時，觀察到的s11會更加明顯。
芯片天線不一定是嚴格等向性的。輻射存在某些優先的方向。根據Gnd間距和塑料配件，輻射最大的方向也不一樣。有關約翰森技術的芯片天線(2450AT42B100E)的常見輻射方向，請參見圖23。
圖23.芯片天線的輻射圖
賽普拉斯只推薦將芯片天線使用在要求PCB空間極小的特定應用中，例如：Nano藍牙收發器或超小的模塊。對於這些應用，賽普拉斯也建議使用含有約翰森技術的2450AT42B100E芯片天線，因爲與2450AT18B100E相比，它的尺寸更大，射頻性能更好，並且需要較小的Gnd間距。介紹翰森技術天線的內容僅供參考。更多有關2.4GHz芯片天線的信息，請向各供應商索取，如Murata、Vishay等。
對於大部分應用，建議使用PCB天線，如MIFA或IFA。這些外形小(佔用空間小)的天線雖然廉價，但提供的性能非常卓越。
導線天線
導線天線是傳統的舊式天線，將一條鋁線或一根四分之一波長的回形針固定在PCB上面便構成了這種天線，該鋁線或回形針按螺旋形狀安裝在PCB上，然後在距離PCB5-6mm的位置與該層並行。
不用再做介紹，由於它們作爲3D天線裸露在空氣中，所以它們的射頻性能非常好。這種天線具有最好的信號範圍和最等向的輻射方向圖。導線天線的無線覆蓋範圍可超過100英尺。
於要求小外形天線的BLE應用，不建議使用這種天線，因爲它會佔用較大空間和垂直高度。但如果有足夠的空間，那麼這種天線可實現最佳的射頻範圍、方向性以及輻射方向圖等性能。
圖24.導線天線佈局
導線天線具有最佳的射頻性能。與其他天線相比，導線天線的天線增益和輻射性能是最好的。請參考圖25，瞭解導線天線的定性輻射方向圖。
圖25.導線天線的定性輻射方向圖
各種天線的比較
請參考表5，快速爲您的應用選擇合適的天線。
表5.MIFA、IFA、芯片和導線天線間的比較