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為無線設備添加天線的全設計流程

2021-03-01 來源:EEWORLD

本文作者:Antenova的Geoff Schulteis


當產品是無線的并且需要額外天線時,設計周期會有所不同。天線會改變設計過程,因為必須小心地將其放置在PCB的最佳位置,因此必須考慮天線與設計中其他某些組件的關系,這一點很重要。


理想情況下,設計人員應在考慮其他組件之前就進行射頻設計。在本文中,我們將從選擇最合適的天線開始,探討天線在設計周期中的其他階段。


天線選擇


最受歡迎的嵌入式天線是表面安裝設備(SMD)。它們之所以受歡迎,主要是因為它們有效利用了電路板空間,而且還因為它們可以在設備內實現出色的性能。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,它們是由高級電介質層壓基板制造的。


設計人員還可以考慮使用現成的天線模塊。這些天線與其他組件裝在一個小封裝中,可以放入設計中。選擇天線模塊的主要優點是可以將其插入設計中,并且射頻電路已準備就緒。


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,可塞入設備內的狹小空間中,也可固定在設計的外殼內。FPC是空間狹窄的理想選擇,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會影響性能的材料,則設計人員可以選擇外部天線(圖1)。嵌入式天線往往無法容易被金屬件所屏蔽,因此,如果在設計中加入了大型金屬件,則放置在設備外部的終端或機殼安裝天線可能會提供最佳性能。


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圖1,外部天線選項包括(從左到右)SMD天線,FPC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,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,并且由于它們對設計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,建議一開始就確定天線的位置。


SMD天線直接焊接到主機PCB上,天線的位置對其RF性能有影響。天線通常會沿著天線的長度沿一條軸在六個方向上輻射。這意味著應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,或設計成可在PCB的一個邊緣上使用。制造商將天線設計為在不同位置工作,每個天線的數據表將準確說明天線的輻射方式以及如何將其放置在主機PCB上以優化性能。


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圖2將SMD天線放置在PCB的長邊上。資料來源:Antenova


需要將某些組件放置在盡可能遠離天線的位置,因為它們會產生噪聲并可能對天線的輻射性能產生阻抗。引起干擾的主要罪魁禍首是電動機,電池和任何金屬含量高的組件,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比空氣高,并且可能會使天線的諧振頻率失諧。


射頻的接地層和電路板設計


SMD天線通常需要接地平面才能輻射。在嵌入式設計中,接地層是PCB的一部分,為RF信號往復提供了平坦的連續表面。接地平面必須具有一定的長度,該長度與天線的最長波長有關。因此,至關重要的是為PCB上的接地層提供正確的空間,因為這將使天線有效地輻射。


根據在天線制造商的數據表中進行說明。有時,地平面在天線下方,有時在其附近。這將因天線而異,這是選擇SMD天線的一個因素。


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(避開區域)。每個天線的凈空保持要求對于每個單獨的天線也是唯一的,并且這些區域將需要保持遠離其他組件的距離,如果不是天線下方的板子,則可能需要通過幾層。


如果從無線電到天線的射頻走線盡可能短,則設備的射頻性能將是最好的。這是因為較長的傳輸線更容易在銅線上產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,我們建議將設計的射頻元件放置在盡可能靠近天線的位置。


一些設計將從射頻電路內的元件匹配電路(例如Pi匹配電路)中受益,以調諧天線改善工作帶寬。


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圖3具有有源調諧電路的天線設計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測試


在完成設計之前,對Gerber文件布局進行檢查可以很好地檢查PCB設計疊層中的RF電路和傳輸線,并將標記出不正確的區域。Gerber審查檢查天線,模塊,傳輸線,過孔和PCB材料是否均已針對良好的RF性能進行了優化。一些天線設計公司會收取Gerber評論的費用,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。這是在暗室中完成的。但是,天線可能會在腔室的完美條件下正常工作,但在最終應用中表現不同,在該最終應用中,環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療設備的設計,應使用暗室內的機械手對天線進行調諧和測試。


其他一些測試可以評估設計在現實生活中的運行狀況:無源測試,空中(OTA)測試和合成孔徑雷達(SAR)。將測量結果的效率,雜散發射,總輻射功率和總各向同性靈敏度。


測試設計至關重要,以確保設備在日常使用中能夠正確運行,并且不會產生輻射或干擾。在設計需要運營商網絡批準的情況下,這些測試至關重要,通常需要使用專業的RF測試服務。


最后,蜂窩網絡的每個設計都必須經過移動網絡運營商的認證,以獲得在其網絡上使用的批準。

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