《CC24XX 折叠偶极子天线应用说明》(中).pdf-资料库

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www.zigbee-sh.cn 郑州新双恒译应用说明应用说明应用说明应用说明 AN040AN040AN040AN040 CC2400、CC2420、CC2430、CC2431 和 CC2480 的折叠偶极子天线 1111、关键字 ● 辐射模式 ● 视线范围 ● CC2400 CC2420 ● 2222、简介 G. E. Jonsrud CC2430 CC2431 CC2480 ● ● ● ● 折叠偶极子该应用说明描述了 CC2400、 CC2420、CC2430、CC2431 和 CC2480 折叠偶极子天线的设计。CC2400 是一个真正的单芯片，一般用于 2.4GHz 的 SRD 频带收发器，数据率可达 1 Mbps。 CC2420 是一个真正的单芯片 RF 收发器，用于工作在 2.4GHz 的 SRD 频带的低功耗无线网络，与 ZigBee™/IEEE 802.15.4 标准兼容。CC2430 是一个真正的 SoC，结合了 CC2420 和一个单周期的 8051 微控制器。CC2431 是带有定位引擎的 CC2430。CC2480 是一个低成本、低功耗的 Z-Accel ZigBee 处理器，经过最小的开发努力就能实现完全的 ZigBee 功能。该应用说明所描述的设计基于 CC2400，但是它可以调谐天线阻抗，因此它可以用于 CC2420、CC2430、 CC2431 和 CC2480。通过调整穿过 RF 引脚的电感的值可以完成调谐。 RF 前端包括三个引脚连接。两个引脚作为差分接口被 LNA 和 PA 共享。第三个引脚改变电平，来给 PA 提供传输期间的电源和 LNA 接收期间接地。差分接口提供了可用电源电压以及较少的地面寄生电容。描述了天线的设计标准和设计程序。还包括测试结果，以及巴伦天线测试和单极子天线解决方案的比较。 Gerber 文件和图表可以从 www.ti.com/lpw 下载。 SWRA093D 1/28

www.zigbee-sh.cn 郑州新双恒译应用说明应用说明应用说明应用说明 AN040AN040AN040AN040 目录 1、关键字.............................................................................................................................................1 2、简介.................................................................................................................................................1 3、缩略语.............................................................................................................................................3 4、设计标准.........................................................................................................................................4 5、设计描述.........................................................................................................................................4 6、图表和布局.....................................................................................................................................5 7、调谐.................................................................................................................................................8 8、测试结果.......................................................................................................................................10 8.1 结果摘要............................................................................................................................13 9、结论...............................................................................................................................................13 10、附录 A—辐射图.........................................................................................................................14 11、文件历史.....................................................................................................................................26 SWRA093D 2/28

www.zigbee-sh.cn 郑州新双恒译应用说明应用说明应用说明应用说明 AN040AN040AN040AN040 3333、缩略语 CC243x CC2480 DC EB EIRP EM CC2400EM FCC FR4 FSK ISM LNA PA PCB RBW RF RFC SMA SRD VBW CC2430 和 CC2431 Z-Accel ZigBee 处理器直流电评估板有效全向辐射功率电磁 CC2400 评估模块美国联邦通讯委员会常见的 PCB 材料频移键控工业科学医疗低噪声放大器功率放大器印刷电路板分辨率带宽无线电频率射频扼流通用射频连接器短程装置视频带宽 SWRA093D 3/28

www.zigbee-sh.cn 郑州新双恒译应用说明应用说明应用说明应用说明 AN040AN040AN040AN040 4444、设计标准下面的设计标准对天线设计是很重要的： � CC2400 的最佳负载阻抗为 110 + j130 欧姆，差分 � RF 引脚和 TXRX_switch 引脚之间的 DC 连接 � TXRX_switch 引脚与 RF 分离 � 少数组件 � 可制造性 � 低杂散发射 � 低损失 � 全向性最佳终端阻抗是内部 LNA 最佳源阻抗和内部 PA 最佳负载之间的权衡。在接收模式时 TXRX_switch 引脚电平是 0V，为 LNA 提供接地，在传输模式时 TXRX_switch 引脚电平是 1.8V，为 PA 提供所需的电源电压。这个引脚应该通过旁路电容和（或）一系列电感（RFC），和 RF 信号分离开来。波长比较短的电动天线往往在调谐网络时对组件变化很敏感。电动小天线可能导致收益问题或需要单独调谐。在 2.4GHz SRD 频带操作时要特别注意谐波水平。第二次和第三次谐波都将属于 FCC15 部分定义的限制频带。在典型 SRD 应用中，希望所有方向的天线范围是等同的，即该天线是全向的。折叠偶极子是很有吸引力的，因为它的高阻抗使得它很容易和 CC2400 的最佳阻抗相匹配。半波长折叠偶极子的理论阻抗是 292 欧姆。旁路电感在实际部分降低时应该提供最佳负载阻抗的感应部分。折叠偶极子是一个金属环，提供 RF 引脚之间的 DC 连接。此外，天线的中间点是虚接地的，这意味着可以不必影响天线性能就能连接到 TXRX_switch 引脚。折叠偶极子是一个共振结构，应该对组件变化不太敏感，并提供低损失。正常平面的天线的折叠偶极子的辐射模式是全向的。 5555、设计描述进行初始调查以检查设计的可行性，采用 Smith 图表来实现。在 Smith 图表上绘制 292 欧姆，并增加 15 nH 旁路电感，获得 115 + j141 欧姆。 CC2400EM 参考设计被选择为设计的基础。CC2400EM 是一个无线电模块，带有巴伦和一个 SMA 连接。巴伦和 SMA 连接目的是与 50 欧姆的不平衡设备共同工作，比如 1/4 波长天线和大多数 RF 仪器。天线作为布局的一部分装在 PCB 上。天线被放置在相对接近 CC2480 的地方以保持设计的紧凑。 SWRA093D 4/28

www.zigbee-sh.cn 郑州新双恒译应用说明应用说明应用说明应用说明 AN040AN040AN040AN040 天线的设计在布局完成之前进行模拟。天线通过一个 EM 模拟器来设计，匹配电路的模拟通过一个线性模拟器和 EM 模拟器的 S-参数。模拟的第一步是在一个 RF4 PCB 上设计一个折叠偶极子，在 CC2400EM 相同尺寸的接地平面的前端。调整天线的长度，直到阻抗为 290 欧姆。下一步是给旁路电感增加带有衬垫的供给线，给天线的虚接地点增加传输线，以便于 TXRX switch 引脚有 DC 连接。TXRX switch 引脚的传输线在模拟期间接地，并给一系列电感装有衬垫。电感衬垫定义为接口，方便它在下面的 S-参数模拟中模拟不同的电感。因为 PCB 材料和接地平面，天线比理论的半波长天线短。最后，电感的值通过线性模拟器、天线模拟的 S-参数和电感的 S-参数来决定。 6666、图表和布局图 1 展示了带有折叠偶极子天线的 CC2400EM 图表。图 2 展示了板的布局。天线的距离和天线背后的接地平面扩展是关键参数。如果 PCB 比 CC2400EM 板宽，接地平面、组件和布线应该脱离天线的终点。 SWRA093D 5/28

www.zigbee-sh.cn 郑州新双恒译应用说明应用说明应用说明应用说明 AN040AN040AN040AN040 图 1：带折叠偶极子天线的 CC2400EM 原理图 SWRA093D 6/28

www.zigbee-sh.cn 郑州新双恒译应用说明应用说明应用说明应用说明 AN040AN040AN040AN040 图 2：带折叠偶极子的 CC2400EM 布局 SWRA093D 7/28

www.zigbee-sh.cn 郑州新双恒译应用说明应用说明应用说明应用说明 AN040AN040AN040AN040 7777、调谐图 1 中的图表展示了为 CC2400 匹配天线时的推荐组件值。由于 CC2420、CC243x 和 CC2480 最佳阻抗是不同于 CC2400 的，因此当给这些部分安装天线时需要调谐匹配电感（L62）的值来获得最佳性能。CC2420、CC243x 和 CC2480 的最佳负载阻抗在数据手册中给定。接地平面的大小、板的封装和天线附近的物体也会影响性能。因此，在调谐时把天线安装在要使用的环境下是很重要的。还可能需要调整天线的长度以获得最佳性能。天线的长度将影响共振的频率。接地平面的大小实现与参考设计不同，并且封装将最有可能要求天线长度有微小的不同，以保证 2.4GHz ISM 频带的最佳性能。要找到最佳长度，可以使用带有整个频带的载波的测试软件。使用最高频谱分析器来测量辐射功率，这将确定最佳频率。如果最高辐射频率太低，天线可以稍微短些，如果辐射最大值处于一个很高的频率，天线应该长一些。天线长度的调整可以使用锋利的小刀和焊接铜带或一根小的金属线来完成。调整 L62 值的目的是使输出功率最大化，同时保持良好的频谱特性。图 3 展示了 CC2400 配置为以 1 Mbps 不断发送随机数据时的频谱。它通过一个电缆在频谱分析器和 CC2400EM 之间测量。电缆和仪器是 50 欧姆，与 CC2400EM 有良好的阻抗匹配。图 3 还说明了如何判断一个良好的频谱。标记测量峰值功率水平和首次空值之间的差异。它应该至少为 25dB，典型是 28dB，传输中没有降级。频率的差异是 760 kHz。测量 100 kHz RBW 和 100 kHz VBW 是很重要的。测量无线应用平均法也是一个优势。（注意：绘制时使用 RBW 和 VBW 不同的设置）图 3：CC2400 在 1 Mbps 的参考波谱 SWRA093D 8/28

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