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ZigBee On Windows Mobile--ZigBee模块天线设计
摘要: 对于短距离无线通信设备(SRD,shortrangedevices)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。
Abstract:
Key words :

  對于短距離無線通信設備(SRD, short range devices)來說,天線的設計關系到通信距離的問題。輻射模型、增益、阻抗匹配、帶寬、尺寸和成本等因素,會影響我們對于天線的選擇和設計。目前,國內普通的ZigBee芯片均工作在2.4G頻段,也就是ISM頻段。工作于這個頻段的無線技術很多,常見的還有Bluetooth(藍牙),Wi-Fi(無線局域網)等。那么,如何設計我們所需要的天線呢。這里我們就討論一下這個問題。

  一般來說,在這個頻段,我們可以選擇的天線有PCB天線、Chip天線和Whip天線。具體的形狀如下圖1所示:

  

  圖1:PCB天線、Chip天線和Whip天線示意圖

 

  對于短距離無線通信設備(SRD, short range devices)來說,天線的設計關系到通信距離的問題。輻射模型、增益、阻抗匹配、帶寬、尺寸和成本等因素,會影響我們對于天線的選擇和設計。目前,國內普通的ZigBee芯片均工作在2.4G頻段,也就是ISM頻段。工作于這個頻段的無線技術很多,常見的還有Bluetooth(藍牙),Wi-Fi(無線局域網)等。那么,如何設計我們所需要的天線呢。這里我們就討論一下這個問題。

  一般來說,在這個頻段,我們可以選擇的天線有PCB天線、Chip天線和Whip天線。具體的形狀如下圖1所示:

  

  圖1:PCB天線、Chip天線和Whip天線示意圖

 

  這三種天線的優劣如下:

  天線類型優點缺點

  PCB天線低成本;可以達到較好的性能;在頻率高的情況下尺寸小尺寸小、效率高的天線設計困難;在頻率低情況下尺寸較大

  Chip天線體積小性能中等、成本中等

  Whip天線性能好成本高、很多情況下不適用

  天線又可以分為單端天線和差分天線這兩種:單端天線又可以稱為非平衡天線,差分天線也可以稱為平衡天線。單端天線主要依靠一個ground為參考的信號,它的特征阻抗一般為50歐姆。但是,有好多RF IC具有差分的RF口,因此,如果使用單端天線的話,就需要有一個電路來改變這種特性,這個電路就稱為balun(通常說的平衡/非平衡變壓器)。單端天線和雙端天線的實例如下圖2所示:

  

  圖2:單端天線和雙端天線圖

  PCB天線設計難度較大,通常還需要仿真工具的支持。為了得到一個最優的設計,做仿真就會很花時間和精力。因此,一般我們都是原封不動的按照芯片廠商給出的參考設計來做。Chip天線可以用在天線空間比較小的場景中,即使頻率低于1GHz。和PCB天線相比,Chip天線就增加了BOM(Bill of Material),并且還要增加貼片的成本。Whip天線性能比較好,但是相比于前面的PCB天線和Chip天線來說,成本較高、尺寸較大,而且,通常需要一個連接座。一般來說,這種天線都是全向天線。

  對于CC2430來說,PCB天線不失為一種較經濟的選擇。而且,通信距離也可以滿足一般的要求。下圖3是CC2430開發板倒F天線的PCB圖:

  

  圖3:F天線的PCB圖

 

  可以從圖中看出來,這種倒F天線是單端天線,也就是非平衡天線,我們需要balun。同樣,TI也給出了微帶balun的設計參考,下圖4是微帶balun的PCB:

  

  圖4:TI CC2430微帶balun的PCB圖

  Freescale的MC13213開發板也采用了類似的倒F天線,不過Freescale開發板采用了balun器件,需要增加一定的BOM。

  我們可以按照具體的情況來選擇天線,主要綜合性能、尺寸和成本這三個因素。

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