當產(chǎn)品是無線的并且需要天線時,設計周期略有不同。天線改變了設計過程,因為它需要小心地放置在 PCB 上的最佳位置,并且在設計中考慮它與其他一些組件的關系很重要。
理想情況下,設計人員應先安排設計的射頻元件,然后再考慮其他組件。在本文中,我們著眼于天線添加到設計周期的額外階段,從選擇最合適的天線開始。
天線選擇
最流行的嵌入式天線是表面貼裝設備 (SMD) 組。它們之所以受歡迎,主要是因為它們有效地利用了電路板空間,還因為它們可以在器件中實現(xiàn)出色的性能。這些天線很??;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到主機 PCB 上。通常,它們由高級介電層壓基板制成。
設計者還可以考慮使用現(xiàn)成的天線模塊。這些將天線與其他組件一起包含在一個小封裝中,隨時可以放入設計中。選擇天線模塊的主要優(yōu)勢在于它可以直接放入設計中,并且射頻電路是現(xiàn)成的。
柔性印刷電路 (FPC) 天線可能是一個有趣的選擇,其中設計的組件布局受限于可用的電路板空間,或者由于某種原因,SMD 天線不容易安裝。FPC 包括一層薄薄的銅蓋帶,帶有一體式電纜和一個用于將它們連接到電路板的 UFL 連接器。它足夠薄,可以稍微彎曲成一個曲面,然后塞進設備內(nèi)的一個小空間里,也許固定在設計的外殼內(nèi)。FPC 在空間狹小的地方是一個不錯的選擇,并且在小型手持設備中很受歡迎。
如果設備的設計包含可能影響性能的材料,設計人員可能會選擇外部天線。嵌入式天線往往無法實現(xiàn)接近金屬組件的強大性能,因此如果將大型金屬特征納入設計中,則放置在設備外部的終端或外殼安裝天線可能會提供最佳性能。
這些天線是用自己的絕緣材料制造的,以隔離射頻信號,如果附近有金屬部件,它們?nèi)匀豢梢砸宰钚〉膿p耗運行。外殼安裝天線為 PCB 上的其他組件騰出了空間,并且由于它們對設計中的其他部件不那么敏感,因此更易于集成。
天線放置
在典型無線設計中的所有組件中,天線可能對其位置最敏感。因此,建議一開始就決定天線的位置。
SMD 天線直接焊接到主機 PCB 上,天線的位置對其射頻性能有影響。天線將沿著一個軸在六個方向上輻射,通常是沿著天線的長度方向。這意味著要表現(xiàn)良好,它應該有盡可能多的方向,沒有反射和吸收障礙物。出于這個原因,天線通常放置在 PCB 的一角,或設計用于 PCB 的邊緣之一。制造商設計他們的天線以在不同的位置工作,每個天線的數(shù)據(jù)表將準確指定天線的輻射方式,以及如何將其放置在主機 PCB 上以優(yōu)化性能。
有些組件需要盡可能遠離天線放置,因為它們會產(chǎn)生噪聲并可能對天線的輻射性能造成阻抗。造成干擾的罪魁禍首是電機、電池以及任何具有高金屬含量的組件,例如 LCD。
最后,設備的外殼也可能導致天線輻射場的中斷。如果設備有塑料蓋,請小心,因為塑料的介電常數(shù)比空氣高,可能會使天線的諧振頻率失諧。
射頻接地層和電路板設計
SMD 天線通常需要接地層來輻射。在嵌入式設計中,接地層是 PCB 的一部分,它為 RF 信號往復提供一個平坦的連續(xù)表面。地平面必須有一定的長度,這與天線的最長波長有關。因此,為 PCB 上的接地層提供正確的空間至關重要,因為這將使天線能夠有效地輻射。
同樣,它將在天線制造商的數(shù)據(jù)表中進行解釋。有時地平面在天線下方,有時與天線相鄰;這將因天線而異,并且將成為您選擇 SMD 天線的一個因素。
除了需要接地層外,天線通常還需要在其周圍留出一定的空間,以便沒有任何其他組件——一個禁區(qū)。每個天線的隔離要求對于每個單獨的天線也是獨一無二的,并且這些區(qū)域需要與其他組件保持距離,可能通過幾層,如果不是天線下方的所有電路板的話。
如果從無線電到天線的射頻跡線盡可能短,則設備的射頻性能將最佳。這是因為較長的傳輸線更容易在銅跡線中產(chǎn)生反射和信號能量損失,這會降低設備的整體輻射性能。因此,我們建議將設計中的射頻元件放置在盡可能靠近天線的位置。
一些設計將受益于射頻電路內(nèi)的集總元件匹配電路(例如Pi 匹配電路),以調(diào)整天線以提高工作帶寬。
Gerber 審查和射頻測試
在設計最終確定之前,Gerber 文件布局審查可以很好地檢查 PCB 設計的層堆疊中的射頻電路和傳輸線,并將標記任何不完全正確的區(qū)域。Gerber 審查檢查天線、模塊、傳輸線、通孔和 PCB 材料是否都針對良好的射頻性能進行了優(yōu)化。一些天線設計公司對 Gerber 評論收費,而另一些則免費提供,或者您可以為此目的使用軟件設計包。
下一個測試將是測量天線在其 PCB 上的性能。這是在消聲室中完成的。然而,天線可能在室內(nèi)的完美條件下工作良好,然后在其最終應用中表現(xiàn)不同,環(huán)境中的人和物體可能會影響天線的輻射方式。因此,對于可穿戴設備或靠近人體使用的醫(yī)療設備的設計,應在消聲室中使用幻頭或幻手對天線進行調(diào)諧和測試。
更多測試可以評估設計在現(xiàn)實生活中的工作情況:無源測試、空中 (OTA) 測試和合成孔徑雷達 (SAR)。將測量效率、雜散發(fā)射、總輻射功率和總各向同性靈敏度的結果。
測試設計至關重要,以確保設備在日常使用中正常運行,并且不會產(chǎn)生輻射或干擾。這些測試在設計需要運營商網(wǎng)絡批準的情況下至關重要,并且通常使用專業(yè)的射頻測試服務。
最后,蜂窩網(wǎng)絡的每個設計都必須經(jīng)過移動網(wǎng)絡運營商的認證,才能獲得在其網(wǎng)絡上使用的批準。
審核編輯:郭婷
評論
查看更多