如何在一个设计中放置两个或多个天线

设计具有多个天线的 PCB 并不简单.本文重点介绍了一些影响天线及其 RF 信号行为的因素，这些因素应在 PCB 布局中加以考虑。

在设计中放置天线总是需要小心，但当设计中有两个或更多天线时，了解天线如何辐射、它们将如何协同工作以及它们的相对位置将如何影响信号就显得尤为重要。

通常，只要遵循一些基本规则，SMD 天线设计为与其他组件共存。

建议是让天线远离其他嘈杂的组件，并在天线下方留一个地平面，以使其有效辐射。在整个 PCB 堆叠中保持天线下方的空间畅通非常重要。

要设计内部具有多个不同天线的设备，您将想知道多个天线将如何在 PCB 上的一个单一系统中共存和执行。各种无线电系统在天线彼此靠近的情况下运行的要求称为“设备内共存”。

在某些情况下，在分集配置中使用两根天线在同一频率上一起工作，这将提供比单独一根天线更强的传输。在其他情况下，设备需要在不同频率上运行的多个无线连接，并且设计应该允许它们之间有一些分离，以允许它们在“共存”中独立运行。

通过良好的设计，您可以实现板上所有天线的高性能和可靠性。设计人员的目标是以实现所有天线之间隔离并允许它们一起正确运行的方式放置天线。

辐射模式

每个天线都有自己的辐射模式，这将显示在制造商的数据表中，因为天线会在完美的条件下辐射，例如在消声室中。

辐射模式通常显示为 3D 模式和该模式的二维横截面。天线将围绕沿天线长度延伸的轴辐射，并且来自天线的电能在垂直于该轴的方向上反射最强。这是天线的极化。

天线的辐射方向图通常在天线使用频段的中心测量。

图 1. 1990 MHz LTE 天线的 3D 天线方向图。 （来源：Antenova）

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图 2. 同一 LTE 天线在 1990 MHz 时的天线方向图，横截面。 （来源：Antenova）

多样性对

分集是一种天线技术，其中两个天线在同一频率上一起使用以创建更可靠的无线连接。对于在自由空间中四处移动的移动无线设备来说，这是一个很好的解决方案，因为两个天线协同工作更有可能在设备四处移动时提供可靠的链接。

对于分集，第一根天线是主天线，第二根天线是分集天线。两根天线可以共享同一个地平面，并且放置在不同的空间区域，这减少了“耦合”——即两根天线反射相似信号的现象。

在分集配置中，两个天线同时发射，但指向不同的方向。然后接收器将采用两个信号中较强的一个，这将提高接收信号的可靠性。这对天线可以放置在PCB的对角或对侧。

当天线以分集配置使用时，它们的放置是为了减少耦合——即，放置两个天线时，它们的辐射方向图彼此完全不同。

极化

天线的极化方向平行于天线的长轴，天线垂直于长轴辐射能量，天线两端都有零功率区。

为获得最佳互相关，应将分集天线对放置在交叉极化、空间和极性不同的极化处。接收器将从一根或另一根天线接收最强信号。这实现了比单独使用一根天线所能实现的更强的接收。在实践中，这通常意味着两个天线将彼此成 90° 放置，从而实现不同的极化，并随着设备的移动向接收器发送更可靠的信号。

减少耦合效应

天线到天线耦合是紧凑型设备中的自然现象。这减少了辐射模式并增加了每个天线遭受的跨信道干扰。它还改变了天线的输入特性。您可以通过在地平面上蚀刻过孔来最小化耦合效应。

天线之间的距离

两个分集天线之间的距离应至少为四分之一波长，它们之间的距离会影响信号。

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图 3：示例 – 该图显示了从主天线到分集天线的隔离与距离。 40mm、25mm 和 20mm 显示为用于比较。此示例显示了 Antenova 的 Integra 天线 SR4L049。 （来源：Antenova）

隔离不同频率的天线

工作在不同频率的天线应放置在不会相互干扰的位置。在天线方面，它们需要彼此电隔离。目标是放置每根天线以实现高性能，但是隔离可能会降低天线的辐射功率。隔离值通过网络分析仪测量为 S21 系数。

有多种方法可以提高天线之间的隔离度。考虑到它们的辐射模式，只需将天线放置得更远，就会产生一些间隔，这会有所帮助。

放置天线使每对天线之间有隔离将有助于它们独立辐射，但会降低每个天线的发射功率。

下一个选择是使用滤波器来降低一个天线在相对天线所需频率上的效率。

图 4. 波束控制是一种天线技术，可在分集应用中提高隔离度和互相关性。 （来源：Antenova）

ECC（包络相关系数）

为了验证 MIMO 天线系统的隔离能力，ECC 是 MIMO 天线系统中需要研究的重要性能标准。 ECC 可以根据天线系统的 S 参数或远场特性进行计算。基于远场参数的ECC考虑了MIMO天线系统中每根天线的辐射波束方向，而基于S参数的ECC则考虑了两根天线的端口特性。

在隔离分析中，基于远场特性的 ECC 被认为更准确，尽管由于需要测量天线的辐射方向图而更加困难。对于 MIMO 天线系统，ECC 值小于 0.5 通常被认为是可以接受的。

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辐射与回波损耗
图 5：该图显示了平行和成直角的两个天线的辐射图，以及第二种配置如何显示更一致的信号。 （来源：Antenova）

结论

许多移动设备使用多个无线连接。它们可以是 4G/LTE、MIMO/WLAN、蓝牙或 GNSS 定位天线的任意组合，并且在一个设计中很容易有五到六根天线——例如用于提供蜂窝链接的 LTE/4G 分集天线、Wi-用于蓝牙的 Fi 天线和用于定位的 GNSS 天线。在这种情况下，目标是在多系统环境中让所有天线并排运行，但互不干扰。如果不考虑共存，那么强大的 LTE/4G 信号很可能会阻止来自较小天线（例如微型 Wi-Fi 天线）的信号。

设计具有多个天线的 PCB 并不简单。本文重点介绍了一些影响天线及其 RF 信号行为的因素，这些因素应在 PCB 布局中加以考虑。为确保所有组件都能正常工作，应将 PCB 送至消声室进行无线测试。它将突出显示设计所需的任何修改，展示天线如何协同工作，并预测设备的实际性能。

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