如何为具有小型 PCB 的移动设备获得更好的无线性能

对小型无线设备的需求正在增长，用于可穿戴设备、医疗设备和跟踪器等消费类应用以及照明、安全和楼宇管理等工业应用。因此，更小的电子设备将需要更小的 PCB，这意味着天线必须使用更短的接地层，如果它们由电池供电，功率也是一个因素——因为设备不能消耗太多功率。

这对产品设计师来说是一个相当大的挑战。新产品在运营商网络上使用之前，最终设计需要提交正式的网络和政府批准，如果天线不能正常工作，或者设备产生无线电干扰，设计很可能会失败。从设备重新辐射噪声。因此，更小的产品更难获得运营商的批准，因为实现足以通过传输和接收最低级别的无线性能更加困难。在美国尤其如此，在那里设计必须符合严格的标准才能获得网络批准。

事实上，对于在低于 1GHz 的频率下工作的小型电动天线来说，理想情况下，它们需要 100 毫米或更长的接地平面长度才能实现良好的性能和效率。如果天线效率下降，则会导致功耗和成品获得网络认可的问题。这意味着产品设计师面临的挑战是创建一个设计，其中有足够的空间让天线正确运行，并且仍然将所有组件装入更小的 PCB 中。

对于工作频率低于 1GHz 的天线尤其如此，这些天线通常用于物联网设备、产品跟踪器、健身设备和其他类似的小型设备等产品。

靠近人体使用的可穿戴设备和医疗设备提出了特殊的挑战。人体会限制射频信号，因此设计人员应考虑天线的辐射方式，并确保将天线放置在人体不会阻碍信号的位置。

可穿戴设备可以小到 50 毫米或更小。其中一些可能使用多个天线！

影响天线在小型设备中的性能的因素有很多，本文将依次解决它们。第一个也是最重要的是地平面，在许多情况下，地平面对于天线辐射至关重要。但这还不是全部，设计人员应正确放置天线并考虑其他组件以及这些组件相对于天线的位置，以确保天线路径中没有噪声或金属。最后，设备外壳可以有所作为，我们将概述要避免的主要材料。

嵌入式天线——它们的工作原理

偶极子天线使用两个辐射器来运行，但嵌入式芯片天线只有一个。对于嵌入式天线，PCB 的一个表面成为第二个辐射体。这就解释了为什么如果PCB的长度太短，天线将无法有效工作。

天线的谐振与其波长直接相关。天线必须以波长的整数倍或几分之一谐振，最短谐振长度为波长的四分之一。

916MHz 频率的全波天线需要大约 327 毫米长，这对于嵌入式天线来说是不实用的，但四分之一波版本在接地平面长度为 87.2 毫米时是实用的。这将被盘绕在隐藏在微型表面贴装芯片天线中的铜迹线和层上。

天线设计人员通过使用地平面作为半波偶极子的缺失一半来绕过这个限制，因此四分之一波单极子天线向地平面辐射。因此，小型无线设备中最流行的嵌入式天线往往是四分之一波单极天线。

地平面长度

为了使嵌入式天线有效工作，接地平面必须至少是天线最低频率的四分之一波长。因此，在较低频率下，当接地平面为 100mm 或更大时，设计会容易得多。

嵌入式天线的性能与其地平面的长度直接相关，因此对于较小的设计来说，让地平面具有正确的长度是最大的挑战。

图 1 显示了接地平面长度和天线效率之间的权衡，从左侧的 794 MHz 到右侧的 2.69 GHz。

图 1.（来源：Antenova Ltd）

这些结果清楚地显示了天线效率在低于 1GHz 的频率下对于小接地平面是如何下降的。这些结果是针对工作在 791-960MHz、1710-2170MHz、2300-1400MHz 和 2500-2969MHz 频率的 3G/4G 芯片天线获得的。

通常，对于使用 1GHz 以下频率的设备，接地层需要 100mm 或更多。在美国，4G频段使用的频段低至698MHz甚至617MHz，而T Mobile的B71频段需要超过100mm的地平面。

将天线放置在其 PCB 上

接下来，我们应该考虑天线在 PCB 上的位置及其相对于其他组件的位置。天线应放置在整个射频布局和PCB堆叠中的最佳位置，以使其有效辐射。

每个单独的天线都设计用于在 PCB 上的几个地方高效工作。这通常是角落或边缘，但每个天线都不同，因此选择适合设计的天线并根据制造商对该天线的建议进行放置非常重要。

图2展示了天线在可穿戴产品或手表等小型设备中的放置方式，其间隙区域。

图 2.（来源：Antenova Ltd）

图 3 显示了适合手表设计的天线布局。该设计保持了此天线上方和下方指定的推荐间隙，以红色显示。

图 3.（来源：Antenova Ltd）

请勿在天线部分附近放置嘈杂的组件，例如电池或 LCD。天线是接收能量的无源组件，会拾取从有噪声组件辐射的噪声，并将该噪声传输到无线电，从而降低接收信号的质量。天线也应远离人体放置以提高射频性能，这是上图3中蓝色标记的距离。

RF 馈电和接地连接的布置对天线的功能至关重要。对于小型 PCB 中的小型嵌入式天线，PCB 上蚀刻的铜迹线可能构成天线的组成部分，因此应注意遵循制造商的规范或参考设计。

整体射频布局和 PCB 堆叠

通过在设计中仔细考虑 RF 元件的布局，您可以最大限度地提高天线的性能。铜地平面不要被走线切割或布置在一层以上，这样天线的地平面部分才能更有效地辐射。

在 PCB 布局中，必须让 LCD 或电池等组件远离天线区域，因为它们会干扰天线的辐射方式。

对于多频段频率，我们建议采用至少四层的 PCB 布局。

图4显示了顶层和底层如何提供地平面，而需要远离地平面的数字信号和电源在它们之间的空间中运行。

图 4.（来源：Antenova Ltd）

调整天线的性能

对于接地平面比理想情况短的情况，设计人员可以考虑其他技术来提高嵌入式天线的性能。

一种方法是针对其运营国家/地区调整天线。 4G 频率范围很广，从 698MHz 到 2690MHz，但每个不同的世界地区只使用该频段的一部分，并且天线一次只能在一个频率上工作。这意味着当产品要在一个地理区域使用时，可以将其调整为在更窄的频段内运行。这将提高天线的性能。

另一种技术是包括一个有源调谐网络，实际上是一个额外的 RF 开关电路，这将有助于克服由主机 PCB 小于 75 毫米的较小接地引起的带宽减少。靠近天线馈电点添加PI匹配电路，以微调天线并提高性能。匹配电路的设计通常需要一些射频专家的帮助。

图5为天线评估板上的匹配电路。

图 5。（来源：Antenova Ltd）

设计传输线

一旦选择了 PCB 的材料并且知道了它的厚度和介电常数，就可以使用一种市售的 RF 迹线设计软件包来设计共面传输线。这将使用 PCB 厚度、铜层间距和基板介电常数来计算传输线的最佳宽度和两侧的适当间隙，以实现 50 Ω 的共面传输线。

所有传输线的特性阻抗应设计为50Ω，射频系统的其他部分，如收发器或功率放大器也应设计为50Ω的阻抗。

Antenova 提供免费的射频传输线计算工具，帮助设计人员确定传输线的尺寸。

其他因素

可能有多个天线，在同一 PCB 上以不同频率运行，但放置得非常接近。如果天线是仅接收系统，例如 GPS 接收器，它可能会被附近的发射天线（例如 4G 无线电）灵敏度降低，从而降低 GPS 系统的准确性。必须小心地通过天线之间的物理距离（确保天线彼此正交）或通过在接地平面上开槽以消除天线之间共享的接地电流来分隔这些天线系统。

在多输入多输出 (MIMO) 系统中，设计将需要多个天线，天线应相对于另一个放置，以便它们可以共存。然后它们可以匹配到相同的频率。必须放置天线以确保隔离和互相关在可接受的范围内。如上所述，必须注意通过天线之间的物理距离来分隔设备中的天线，确保天线彼此正交，或者通过在天线之间切开接地平面以去除天线之间共享的接地电流天线。

图 6 显示了多样性的邻近配置。

图 6.（来源：Antenova Ltd）

图 7 显示了多样性的相反配置。

图 7。（来源：Antenova Ltd）

外壳不应包含靠近天线的金属，但某些金属化涂层是可以接受的，因为它们不能有效地传导能量。天线附近的金属物体会导致天线频率降低。它还可以减少天线设计使用的带宽量。天线附近金属物体的另一个问题是金属物体会阻挡金属放置方向上的信号，从而减少整体辐射模式，并可能导致信号衰减到足以失去与基站的连接。

结论

如果产品设计要包含天线，尤其是使用小型 PCB 时，我们建议先选择天线，然后将其放置在 PCB 上。这样做比将天线插入到其他完成的设计中更容易。首先考虑天线通常是实现射频元件应有性能的设计的最快方法。

这将增加设备获得网络批准的机会。如果要获得批准，天线需要高效运行，而且规则很严格。不过，AT&T 确实允许小于 107mm 的设备，并降低了这些较小设备的效率门槛。