天線設(shè)計(jì)：射頻的接地層和電路板設(shè)計(jì)

作者：Antenova的Geoff Schulteis

當(dāng)產(chǎn)品是無(wú)線的并且需要額外天線時(shí)，設(shè)計(jì)周期會(huì)有所不同。天線會(huì)改變?cè)O(shè)計(jì)過程，因?yàn)楸仨毿⌒牡貙⑵浞胖迷?a target="_blank">PCB的最佳位置，因此必須考慮天線與設(shè)計(jì)中其他某些組件的關(guān)系，這一點(diǎn)很重要。

理想情況下，設(shè)計(jì)人員應(yīng)在考慮其他組件之前就進(jìn)行射頻設(shè)計(jì)。在本文中，我們將從選擇最合適的天線開始，探討天線在設(shè)計(jì)周期中的其他階段。

天線選擇

最受歡迎的嵌入式天線是表面安裝設(shè)備（SMD）。它們之所以受歡迎，主要是因?yàn)樗鼈冇行Ю昧穗娐钒蹇臻g，而且還因?yàn)樗鼈兛梢栽谠O(shè)備內(nèi)實(shí)現(xiàn)出色的性能。這些天線很小。它們的寬度可以小至1毫米，并在電路板組裝過程中直接回流焊到PCB上。通常，它們是由高級(jí)電介質(zhì)層壓基板制造的。

設(shè)計(jì)人員還可以考慮使用現(xiàn)成的天線模塊。這些天線與其他組件裝在一個(gè)小封裝中，可以放入設(shè)計(jì)中。選擇天線模塊的主要優(yōu)點(diǎn)是可以將其插入設(shè)計(jì)中，并且射頻電路已準(zhǔn)備就緒。

柔性印刷電路（FPC）天線可能是一個(gè)有趣的選擇，其中設(shè)計(jì)的組件布局被限制在可用的電路板空間中，或者由于某種原因，SMD天線不容易安裝。FPC包括一層薄薄的銅覆帶，一條完整的電纜和一個(gè)將其連接到電路板上的UFL連接器。它足夠薄，表面可彎曲，可塞入設(shè)備內(nèi)的狹小空間中，也可固定在設(shè)計(jì)的外殼內(nèi)。FPC是空間狹窄的理想選擇，并且在小型手持設(shè)備中很受歡迎。

如果設(shè)備的設(shè)計(jì)包含可能會(huì)影響性能的材料，則設(shè)計(jì)人員可以選擇外部天線（圖1）。嵌入式天線往往無(wú)法容易被金屬件所屏蔽，因此，如果在設(shè)計(jì)中加入了大型金屬件，則放置在設(shè)備外部的終端或機(jī)殼安裝天線可能會(huì)提供最佳性能。

圖1外部天線選項(xiàng)包括（從左到右）SMD天線，F(xiàn)PC天線或外部天線。資料來源：Antenova

這些天線自身由絕緣材料制成，以隔離RF信號(hào)，如果附近有金屬部件，它們的性能仍將保持最小的損耗。盒裝天線為PCB上的其他組件釋放了空間，并且由于它們對(duì)設(shè)計(jì)中的其他部分不那么敏感，因此易于集成。

天線放置

在典型的無(wú)線設(shè)計(jì)中的所有組件中，天線可能對(duì)其位置最敏感。因此，建議一開始就確定天線的位置。

SMD天線直接焊接到主機(jī)PCB上，天線的位置對(duì)其RF性能有影響。天線通常會(huì)沿著天線的長(zhǎng)度沿一條軸在六個(gè)方向上輻射。這意味著應(yīng)具有盡可能多的方向，且沒有反射性和吸收性障礙。因此，通常將天線放置在PCB的一角，或設(shè)計(jì)成可在PCB的一個(gè)邊緣上使用。制造商將天線設(shè)計(jì)為在不同位置工作，每個(gè)天線的數(shù)據(jù)表將準(zhǔn)確說明天線的輻射方式以及如何將其放置在主機(jī)PCB上以優(yōu)化性能。

圖2將SMD天線放置在PCB的長(zhǎng)邊上。資料來源：Antenova

需要將某些組件放置在盡可能遠(yuǎn)離天線的位置，因?yàn)樗鼈儠?huì)產(chǎn)生噪聲并可能對(duì)天線的輻射性能產(chǎn)生阻抗。引起干擾的主要罪魁禍?zhǔn)资请妱?dòng)機(jī)，電池和任何金屬含量高的組件，例如LCD。

最后，設(shè)備的外殼也可能導(dǎo)致天線輻射場(chǎng)的中斷。如果設(shè)備有塑料蓋，請(qǐng)小心，因?yàn)樗芰系慕殡姵?shù)比空氣高，并且可能會(huì)使天線的諧振頻率失諧。

射頻的接地層和電路板設(shè)計(jì)

SMD天線通常需要接地平面才能輻射。在嵌入式設(shè)計(jì)中，接地層是PCB的一部分，為RF信號(hào)往復(fù)提供了平坦的連續(xù)表面。接地平面必須具有一定的長(zhǎng)度，該長(zhǎng)度與天線的最長(zhǎng)波長(zhǎng)有關(guān)。因此，至關(guān)重要的是為PCB上的接地層提供正確的空間，因?yàn)檫@將使天線有效地輻射。

根據(jù)在天線制造商的數(shù)據(jù)表中進(jìn)行說明。有時(shí)，地平面在天線下方，有時(shí)在其附近。這將因天線而異，這是選擇SMD天線的一個(gè)因素。

天線除了需要接地層外，通常還需要在天線周圍留出一定的空間，以避開任何其他組件（避開區(qū)域）。每個(gè)天線的凈空保持要求對(duì)于每個(gè)單獨(dú)的天線也是唯一的，并且這些區(qū)域?qū)⑿枰３诌h(yuǎn)離其他組件的距離，如果不是天線下方的板子，則可能需要通過幾層。

如果從無(wú)線電到天線的射頻走線盡可能短，則設(shè)備的射頻性能將是最好的。這是因?yàn)檩^長(zhǎng)的傳輸線更容易在銅線上產(chǎn)生反射和信號(hào)能量損失，這會(huì)降低設(shè)備的整體輻射性能。因此，我們建議將設(shè)計(jì)的射頻元件放置在盡可能靠近天線的位置。

一些設(shè)計(jì)將從射頻電路內(nèi)的元件匹配電路（例如Pi匹配電路）中受益，以調(diào)諧天線改善工作帶寬。

圖3具有有源調(diào)諧電路的天線設(shè)計(jì)可以克服帶寬較小的接地平面所帶來的帶寬降低。資料來源：Antenova

Gerber審查和RF測(cè)試

在完成設(shè)計(jì)之前，對(duì)Gerber文件布局進(jìn)行檢查可以很好地檢查PCB設(shè)計(jì)疊層中的RF電路和傳輸線，并將標(biāo)記出不正確的區(qū)域。Gerber審查檢查天線，模塊，傳輸線，過孔和PCB材料是否均已針對(duì)良好的RF性能進(jìn)行了優(yōu)化。一些天線設(shè)計(jì)公司會(huì)收取Gerber評(píng)論的費(fèi)用，而另一些則免費(fèi)提供，或者您可以為此目的使用軟件設(shè)計(jì)包。

下一個(gè)測(cè)試將是測(cè)量天線在其PCB上的性能。這是在暗室中完成的。但是，天線可能會(huì)在腔室的完美條件下正常工作，但在最終應(yīng)用中表現(xiàn)不同，在該最終應(yīng)用中，環(huán)境中的人和物體可能會(huì)影響天線的輻射方式。因此，對(duì)于可穿戴設(shè)備或靠近人體使用的醫(yī)療設(shè)備的設(shè)計(jì)，應(yīng)使用暗室內(nèi)的機(jī)械手對(duì)天線進(jìn)行調(diào)諧和測(cè)試。

其他一些測(cè)試可以評(píng)估設(shè)計(jì)在現(xiàn)實(shí)生活中的運(yùn)行狀況：無(wú)源測(cè)試，空中（OTA）測(cè)試和合成孔徑雷達(dá)（SAR）。將測(cè)量結(jié)果的效率，雜散發(fā)射，總輻射功率和總各向同性靈敏度。

測(cè)試設(shè)計(jì)至關(guān)重要，以確保設(shè)備在日常使用中能夠正確運(yùn)行，并且不會(huì)產(chǎn)生輻射或干擾。在設(shè)計(jì)需要運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)批準(zhǔn)的情況下，這些測(cè)試至關(guān)重要，通常需要使用專業(yè)的RF測(cè)試服務(wù)。

最后，蜂窩網(wǎng)絡(luò)的每個(gè)設(shè)計(jì)都必須經(jīng)過移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商的認(rèn)證，以獲得在其網(wǎng)絡(luò)上使用的批準(zhǔn)。
編輯：hfy