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ZigBee On Windows Mobile--ZigBee模块天线设计

 对于短距离无线通信设备(SRD, short range devices)来说,天线的设计关系到通信距离的问题。辐射模型、增益、阻抗匹配、带宽、尺寸和成本等因素,会影响我们对于天线的选择和设计。目前,国内普通的ZigBee芯片均工作在2.4G频段,也就是ISM频段。工作于这个频段的无线技术很多,常见的还有Bluetooth(蓝牙),Wi-Fi(无线局域网)等。那么,如何设计我们所需要的天线呢。这里我们就讨论一下这个问题。

    一般来说,在这个频段,我们可以选择的天线有PCB天线、Chip天线和Whip天线。具体的形状如下图1所示:

   

                             图1:PCB天线、Chip天线和Whip天线示意图

    这三种天线的优劣如下:

天线类型

优点

缺点

PCB天线

低成本;可以达到较好的性能;在频率高的情况下尺寸小

尺寸小、效率高的天线设计困难;在频率低情况下尺寸较大

Chip天线

体积小

性能中等、成本中等

Whip天线

性能好

成本高、很多情况下不适用

 

    天线又可以分为单端天线和差分天线这两种:单端天线又可以称为非平衡天线,差分天线也可以称为平衡天线。单端天线主要依靠一个ground为参考的信号,它的特征阻抗一般为50欧姆。但是,有好多RF IC具有差分的RF口,因此,如果使用单端天线的话,就需要有一个电路来改变这种特性,这个电路就称为balun(通常说的平衡/非平衡变压器)。单端天线和双端天线的实例如下图2所示:

   

                                 图2:单端天线和双端天线图    

        PCB天线设计难度较大,通常还需要仿真工具的支持。为了得到一个最优的设计,做仿真就会很花时间和精力。因此,一般我们都是原封不动的按照芯片厂商给出的参考设计来做。Chip天线可以用在天线空间比较小的场景中,即使频率低于1GHz。和PCB天线相比,Chip天线就增加了BOM(Bill of Material),并且还要增加贴片的成本。Whip天线性能比较好,但是相比于前面的PCB天线和Chip天线来说,成本较高、尺寸较大,而且,通常需要一个连接座。一般来说,这种天线都是全向天线。

       对于CC2430来说,PCB天线不失为一种较经济的选择。而且,通信距离也可以满足一般的要求。下图3是CC2430开发板倒F天线的PCB图:

                                  图3:F天线的PCB图

    可以从图中看出来,这种倒F天线是单端天线,也就是非平衡天线,我们需要balun。同样,TI也给出了微带balun的设计参考,下图4是微带balun的PCB:

        

                          图4:TI CC2430微带balun的PCB图

       Freescale的MC13213开发板也采用了类似的倒F天线,不过Freescale开发板采用了balun器件,需要增加一定的BOM。

   我们可以按照具体的情况来选择天线,主要综合性能、尺寸和成本这三个因素。这篇文章主要参考了TI的参考设计:

       swra088(SRD Antennas).pdf

       swra161(Antenna Selection Guide).pdf

       swru120b(2.4 GHz Inverted F Antenna).pdf

       swra098d(Implementation of Microstrip Balun for CC2420, CC243x, and CC2480).pdf

   需要以上资料的朋友可以留下邮箱,也可以自己直接去TI网站下载。

Good Luck!.

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