优化微型 PCB 上的无线性能：面向移动设备设计指南

消费市场——穿戴设备、医疗小工具、追踪器——和工业领域如照明、安防、楼宇管理，对更小无线设备的需求日益增长。随着产品占地面积缩小，承载天线的 PCB 也随之变小，迫使设计师在缩减地平面和收紧电池供电设备功率预算的条件下工作。

应对这一挑战至关重要，因为每个最终设计都必须通过正式网络和政府认证才能在运营商网络运行。次优天线可能导致认证失败、重辐射设备噪声，或产生干扰危及收发阈值——美国监管机构对此要求尤为严格，要求精确性能指标。

工作在 1 GHz 以下的电小尺寸天线理想情况下需要 100 mm 或更长的地平面长度以达到可接受效率。较短地平面降低效率，推高功耗，难以通过网络认证。因此，设计师必须在微型 PCB 上为稳健地平面预留足够空间，同时容纳所有组件。

此经验法则适用于典型工作在 1 GHz 以下的物联网、追踪器和健身设备。

穿戴和医疗设备面临额外障碍：人体衰减射频信号。天线布局必须最小化人体阻挡效应，需仔细考虑朝向和与身体的距离。

某些穿戴设备小至 50 mm，甚至单一产品需容纳多根天线。

多因素影响小型设备天线性能。地平面尺寸至关重要，但设计师还需正确放置天线、避开附近嘈杂或金属组件、选择合适外壳材料。

嵌入式天线——工作原理

嵌入式芯片天线使用单一辐射单元；PCB 表面充当偶极子的第二臂。若 PCB 过短，天线无法高效谐振。

谐振与波长相关：916 MHz 四分之一波单极子需约 87 mm 地平面——适合表面贴装设计。设计师常将地平面视为缺失的半波偶极子，使四分之一波单极子成为紧凑设备最流行选择。

地平面长度

为达到最佳效率，地平面长度应至少为工作波长的四分之一。1 GHz 以下频率下，这意味着地平面长度需 100 mm 或更长。

图 1 展示了地平面缩短时效率在 794 MHz 至 2.69 GHz 频段的急剧下降。

图 1.（来源：Antenova Ltd）

这些测量来自覆盖 791–960 MHz、1710–2170 MHz、2300–1400 MHz 和 2500–2969 MHz 的 3G/4G 芯片天线。亚 1 GHz 运行通常需要 100 mm 地平面。美国 4G 频段如 698 MHz 或 T-Mobile B71 的 617 MHz 要求更长地平面。

PCB 上天线定位

RF 布局和 PCB 堆叠中的位置至关重要。许多天线在角落或边缘表现最佳，但具体建议取决于制造商数据手册。

图 2 显示穿戴或手表 PCB 上天线周围间隙示例。

图 2.（来源：Antenova Ltd）

图 3 演示手表的合适布局，尊重红色标记的必需间隙区。

图 3.（来源：Antenova Ltd）

避免将嘈杂组件——电池、LCD——置于天线附近。耦合进天线的噪声降低接收信号。天线远离人体；图 3 中蓝色区域指示最佳间距。

当铜迹线构成天线一部分时，严格遵循制造商参考设计以确保正确 RF 馈电和接地。

整体 RF 布局与 PCB 堆叠

通过深思熟虑地排布 RF 元件最大化天线性能。避免用迹线切割地平面或将其分散在多层；连续地平面使天线辐射更有效。

让 LCD 和电池等组件远离天线区域以防干扰。

多频段运行推荐四层 PCB。图 4 显示典型堆叠：顶层和底层提供实心地平面，数字信号和电源布线占据中间层。

图 4.（来源：Antenova Ltd）

天线调优以提升性能

若地平面无法达到理想长度，可考虑以下替代方案：

• 区域专用调优。 将天线工作带窄化至匹配特定国家 4G 分配，提高效率。
• 主动调谐网络。 在馈电点附近添加 PI 匹配网络，补偿小地平面（< 75 mm）上的带宽损失。RF 专家常协助设计这些电路。

图 5 显示评估板上的匹配网络。

图 5.（来源：Antenova Ltd）

传输线设计

确定 PCB 材料、厚度和介电常数后，可使用标准 RF 迹线工具设计共面传输线。这确保 50 Ω 特征阻抗匹配收发器和功率放大器。

Antenova 提供免费 RF 传输线计算器辅助设计师。

其他考量

多根天线共享 PCB 时，空间隔离和正交朝向对保持隔离度至关重要。MIMO 系统需精心布局以保持低互相关。

图 6 显示分集的邻近配置。

图 6.（来源：Antenova Ltd）

图 7 显示分集的对向配置。

图 7.（来源：Antenova Ltd）

外壳应避免天线附近有金属部件；甚至金属化涂层也会偏移谐振并降低带宽。金属邻近也会阻挡辐射并降低整体方向图。

结论

将天线集成到小型 PCB 设计时，首先选择天线并放置。这种“天线优先”方法确保在添加其他组件前优化 RF 性能，大大增加通过运营商认证的可能性。虽然监管机构施加严格效率要求，但 AT&T 已放宽对小于 107 mm 设备的门槛。

遵循这些指南有助于设计师创建紧凑、高效且合规的无线产品。