2.4 GHz是現代RF設計的最佳選擇，可以通過提及一些知名品牌來證明：藍牙，ZigBee，Wi-Fi和WLAN。人們還可以將細胞應用投入混合物中。顯然，這種未經許可的頻段允許各種手持式，移動式和固定式基站設計，這些設計可以點對點通信，也可以通過蜂窩或網狀網絡進行路由。但是，人氣帶來了技術問題。即使使用通道分段，一個標準的信號也可以踩到另一個標準信號并阻塞吞吐量。幸運的是，頻率分配，算法，時間切片和后退定時器等技術有助于讓每個人分享樂隊并一起玩得很好。即便如此，實現最佳性能和滿足可靠性目標需要卓越的天線設計，并密切關注相關組件，以保持一切諧振。更重要的是，無論是平衡還是單端，發(fā)射增益和接收靈敏度取決于天線的物理特性及其輻射方向圖。

本文將介紹2.4 GHz天線以及使其工作的耦合網絡。它研究了可在2.4 GHz ISM頻段工作的商用單芯片天線。它討論了與使用單芯片天線相關的天線類型，RF分布模式以及范圍和設計問題，而不是連接器安裝的外部天線或PCB天線。

信號路徑

使天線按需運行的關鍵是天線的信號路徑。雖然大多數RF芯片具有良好的輸出級，但仍可能需要匹配，濾波和分離，特別是如果單個天線用于多個通信標準。因此，典型的RF輸出級仍然必須連接到單端，平衡或雙工匹配網絡（圖1）。

圖1 ：雖然RF芯片具有很多功能，但與天線的匹配仍然是工程師的責任，并且根據所使用的天線類型以及它是否是共享RF級而不同。

例如，使用藍牙的應用程序。您可以使用帶通或低通濾波器組合的單端輸出級將IC驅動器級布線和匹配到天線（圖2A）。更好的方法是通過平衡 - 不平衡轉換器和帶通濾波器使用平衡差分驅動器級（圖2B）。

圖2A：單個 - 結束連接可以利用較低成本的過濾器和匹配元素。

圖2B：平衡輸出級使用特定于芯片制造商部分的精確匹配的阻抗級。

幸運的是，有超過6家制造商可以提供數百種RF專用低通，帶通和高通濾波器以及RF專用平衡 - 不平衡轉換器和匹配陣列。這些可以有效地阻止和衰減來自蜂窩頻段和無線系統(tǒng)的頻率，并將阻抗匹配，干凈的信號傳遞到您正在使用的特定芯片的RF級。

對于密集設計，需要了解的部分是多層Taiyo Yuden FI212C245072-T和該系列中的類似零件。 Taiyo Yuden已經找到了一種利用多層電感器更新其核心技術的方法，在單個封裝中開發(fā)出1.25 x 2 mm，組合平衡帶通濾波器和平衡 - 不平衡轉換器。典型值為50至100歐姆的阻抗值，但您應注意，使用的部件可能特定于特定的RF芯片制造商。

最后一項很重要，因為IC制造商將竭盡全力描述其RF階段，這些特性因制造商而異。此外，請記住，檢查任何平衡 - 不平衡變壓器和濾波器的傳輸特性非常重要，尤其是在組合時。使用Taiyo Yuden零件，頻率圖是一種很好的開始方式（圖3），但如果偏離制造商建議的布局和處理，您將需要制作自己的特征響應圖。

圖3：組合濾波器和平衡 - 不平衡轉換器的衰減和通帶特性可以在減少PCB占位面積的情況下提供良好的性能。在這種情況下，創(chuàng)建2.4到2.5 GHz的通帶。

芯片制造商和天線，濾波器和耦合器件制造商都是很好的設計資源。通常，應用說明和參考設計將指定要使用的確切部件號。為了提供幫助，Taiyo Yuden提供兩個EMC仿真器：一個用于波形1，一個用于T/Pi濾波器。2

天線

現在您已經將RF IC級與天線匹配，具有良好的濾波器和平衡 - 不平衡轉換器（如果用過的）?，F在是時候將注意力集中在天線上了。

對于更高的成本和最大的發(fā)射功率和接收靈敏度，應使用外部天線插孔和單元。對于大批量和成本敏感的設計，這通常不是可行的方法，特別是如果您可以使用PCB或單芯片單片天線。

PCB天線可以提供良好的發(fā)射增益和接收靈敏度。簡單的偶極子易于設計和布局為對應于波長的分數或整數距離。只要PCB制造工藝的嚴格控制不會使堆疊阻抗變化，可靠且可重復的設計就可以利用PCB天線方法。

仍然需要將天線與其他電路隔離。這在電路板上占用了大量空間，其中RF接地平面和無人居住的區(qū)域被精確定位并與機柜中使用的機械外殼和材料協調。

雖然沒有達到與某些PCB天線相同的性能水平，但單芯片解決方案允許更小的占地面積，具有均勻一致的性能。以Johanson 2450AT18B100E無源50歐姆陶瓷表面貼裝芯片天線為例。這些部件采用低溫共燒陶瓷技術（LTCC），使其在拾取和放置機器中保持較小，同時提供接近全向輻射和線性極化。

高達3W的器件面向藍牙，無線LAN，ZigBee和WiMax應用。對于駐波比規(guī)定小于2，這些部件以2.4到2.5 GHz頻段為中心（圖4）。

圖4：Johanson單芯片表面貼裝天線的特點是保持駐波比小于2，從而使信號更清晰，雜散和浪費更少。

類似的單芯片天線是TDK ANT040015CCS2442MA1，其中心頻率為2.442 GHz。雖然最大VSWR高于Johanson部分 - 最大3.5。 TDK提供PCB參考設計，帶有屏蔽饋電點，可遠離數字邏輯。與天線緊挨數字邏輯相比，這有助于提供良好的范圍（圖5）。

圖5：遵循制造商的指南和建議的PC板布局可以幫助快速確定性能基準。然后可以使用迭代設計技術將設計調整到最佳性能。

TDK ANT系列的尺寸從2.0 x 1.25 x 0.5 mm一直到9.8 x 3 x 4 mm。每個都有自己的特點和輻射模式。同樣，Taiyo Yuden AF和AH系列在數據表和參考材料中包含特定的部件號，用于感興趣的RF標準，包括藍牙，WiMax，GPS，ZigBee和WLAN等等。

有趣的技術需要注意的是Taiyo Yuden RadiEdge配置，其輻射圖案設計為從PC板的邊緣散發(fā)出來。 AH316M245001-T等部件專為2.4 GHz設計而設計，占地面積為3.2 x 1.6 x。5，保持區(qū)域為5 mm x 6 mm。值得注意的是，輻射方向圖也有些方向性，效率等級約為73％。此外，如果禁止區(qū)域正確完成，則RadiEdge布局可以使用雙向對稱圖案位于印刷電路板的中間。當PC板的外圍受到嚴格的空間限制并且可能具有多個連接器時，這可能是有用的。

總之，本文討論了與2.4 GHz天線和濾波器相關的設計考慮因素和部件選擇標準。它已經展示了設備制造商如何提升板材以提供緊湊，精心設計的天線和天線匹配解決方案。遵循制造商的指導方針和建議的布局，至少可以使您的設計有一個良好的開端。