添加天线如何改变设计过程

当产品是无线的并且需要天线时，设计周期略有不同。天线改变了设计过程，因为它需要小心地放置在 PCB 上的最佳位置，并且在设计中考虑它与其他一些组件的关系很重要。

理想情况下，设计人员应该在考虑其他组件之前安排设计的 RF 元素。在本文中，我们将从选择最合适的天线开始，了解天线在设计周期中增加的其他阶段。

天线选择

最流行的嵌入式天线是表面安装设备 (SMD) 组。它们之所以受欢迎，主要是因为它们有效利用了电路板空间，还因为它们可以在设备内实现出色的性能。这些天线很小；它们可以小至 1 毫米宽，并在电路板组装过程中直接回流到主机 PCB 上。通常，它们由高级介电层压基板制成。

设计人员也可以考虑使用现成的天线模块。它们将天线与其他组件一起放在一个小包装中，随时可以投入到设计中。选择天线模块的主要优点是它可以在设计中弹出，并且提供现成的射频电路。

柔性印刷电路 (FPC) 天线可能是一个有趣的选择，其中设计的组件布局受限于可用的电路板空间，或者由于某种原因，SMD 天线不容易安装。 FPC 包括一层薄薄的铜盖带，带有集成电缆和 UFL 连接器，用于将它们连接到电路板。它足够薄，可以稍微弯曲成一个弯曲的表面，并塞进设备内的一个小空间，可能固定在设计的外壳内。 FPC 是空间紧张的不错选择，在小型手持设备中很受欢迎。

如果设备设计包含可能会影响性能的材料，设计人员可能会选择外部天线（图 1）。嵌入式天线往往无法在接近金属组件的情况下实现强大的性能，因此如果在设计中加入大型金属特征，则放置在设备外部的终端或外壳安装天线可能会提供最佳性能。

图 1. 外部天线选项包括（从左到右）SMD 天线、FPC 天线或终端天线。来源：Antenova

这些天线是用自己的绝缘材料制造的，以隔离射频信号，如果附近有金属部件，它们仍然会以最小的损耗运行。外壳安装天线为 PCB 上的其他组件腾出空间，并且由于它们对设计中的其他部件不那么敏感，因此更易于集成。

天线放置

在典型无线设计的所有组件中，天线可能对其位置最敏感。因此，建议一开始就确定天线的放置位置。

SMD 天线直接焊接到主机 PCB 上，天线的位置对其 RF 性能有影响。天线将沿着一个轴在六个方向上辐射，通常沿着天线的长度。这意味着要表现良好，它应该有尽可能多的方向，没有反射和吸收障碍物。出于这个原因，天线通常放置在 PCB 的角落，或设计用于 PCB 的边缘之一。制造商将天线设计为在不同的位置运行，每个天线的数据表将具体说明天线的辐射方式，以及如何将其放置在主机 PCB 上以优化性能。

图 2. 一块 SMD 天线放置在 PCB 的长边上。来源：Antenova

某些组件需要尽可能远离天线放置，因为它们会产生噪声并可能对天线的辐射性能造成阻抗。造成干扰的罪魁祸首是电机、电池和任何金属含量高的部件，例如 LCD。

最后，设备的外壳也可能导致天线辐射场的中断。如果设备有塑料盖，请小心，因为塑料的介电常数高于空气，并且可能会使天线的谐振频率失谐。

RF 的地平面和电路板设计

SMD 天线通常需要接地平面来辐射。在嵌入式设计中，接地平面是 PCB 的一部分，它为射频信号提供了一个平坦的连续表面。地平面必须有一定的长度，这与天线的最长波长有关。因此，为 PCB 上的接地层提供正确的空间至关重要，因为这将使天线有效辐射。

同样，它将在天线制造商的数据表中进行解释。有时接地平面在天线下方，有时与天线相邻；这将因天线而异，这将是您选择 SMD 天线的一个因素。

除了需要接地平面外，天线通常还需要在它们周围留出一定的空间，以便不受任何其他组件的影响——一个禁止区域。每个天线的隔离要求对于每个单独的天线也是独一无二的，这些区域需要与其他组件保持隔离，可能需要通过几层，如果不是天线下方的所有电路板。

如果从无线电到天线的射频走线尽可能短，设备的射频性能将是最佳的。这是因为更长的传输线更容易在铜迹线中发生反射和信号能量损失，这会降低设备的整体辐射性能。因此，我们建议设计中的射频元件尽可能靠近天线放置。

某些设计将受益于 RF 电路中的集总元件匹配电路（例如 Pi 匹配电路）来调整天线以提高工作带宽。

图 3. 带有有源调谐电路的天线设计可以克服较小接地平面带来的带宽降低问题。来源：Antenova

格柏审查和射频测试

在设计完成之前，Gerber 文件布局审查可以很好地检查 PCB 设计的层堆叠中的 RF 电路和传输线，并将标记任何不太正确的区域。 Gerber 审查检查天线、模块、传输线、过孔和 PCB 材料是否都针对良好的射频性能进行了优化。一些天线设计公司对 Gerber 评论收费，而另一些则免费提供，或者您可以为此目的使用软件设计包。

下一个测试将是测量天线在其 PCB 上的性能如何。这是在消声室中完成的。然而，天线可能在腔室的完美条件下工作良好，然后在其最终应用中表现不同，环境中的人和物体可能会影响天线的辐射方式。因此，对于可穿戴设备或靠近人体使用的医疗设备的设计，应在消声室中使用幻影头或幻影手对天线进行调谐和测试。

还有一些测试可以评估设计在现实生活中的工作情况：无源测试、空中 (OTA) 测试和合成孔径雷达 (SAR)。将测量效率、杂散发射、总辐射功率和总各向同性灵敏度的结果。

测试设计至关重要，以确保设备在日常使用中正常运行，并且不会产生辐射或干扰。在设计需要运营商网络批准的情况下，这些测试至关重要，并且通常使用专业的射频测试服务。

最后，蜂窝网络的每个设计都必须经过移动网络运营商的认证，才能获得在其网络上使用的批准。

>> 本文最初发表于我们的姊妹网站 EDN。

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