對(duì)小型無線設(shè)備的需求正在增加,這些設(shè)備將用于可穿戴、醫(yī)療設(shè)備和追蹤器等消費(fèi)應(yīng)用程序,以及照明、安保和建筑管理等工業(yè)應(yīng)用程序。因此,較小的電子設(shè)備將需要較小的PCB,這意味著天線必須與較短的地面平面一起工作,如果它們是電池操作的,功率也是一個(gè)因素--因?yàn)樵撛O(shè)備不能耗電過多。

這對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)師來說是一個(gè)相當(dāng)大的挑戰(zhàn).最終的設(shè)計(jì)需要提交正式的網(wǎng)絡(luò)和政府批準(zhǔn),才能在載波網(wǎng)絡(luò)上使用新產(chǎn)品,如果天線不能正常工作,或者如果設(shè)備通過從設(shè)備中再輻射噪音造成無線電干擾,那么設(shè)計(jì)就可能失敗。因此,對(duì)于一個(gè)較小的產(chǎn)品,要獲得運(yùn)營(yíng)商的認(rèn)可就更加困難了,因?yàn)橐獙?shí)現(xiàn)足夠好的無線性能來通過傳輸和獲得最低水平是更困難的。設(shè)計(jì)必須符合嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)才能獲得網(wǎng)絡(luò)認(rèn)可。

事實(shí)上,電小型天線要在頻率低于1ghz的情況下運(yùn)行,它們理想的情況是需要100mm或更多的地面長(zhǎng)度,以實(shí)現(xiàn)良好的性能和效率。如果天線的效率降低,將會(huì)引起耗電問題,并使成品獲得網(wǎng)絡(luò)認(rèn)可。這意味著,產(chǎn)品設(shè)計(jì)師面臨的挑戰(zhàn)是創(chuàng)建一個(gè)有足夠空間的天線來正確執(zhí)行的設(shè)計(jì),并且仍然將所有組件都放進(jìn)一個(gè)較小的PCB中。

對(duì)于頻率低于1ghz的天線來說尤其如此,這些天線通常用于諸如iot設(shè)備、產(chǎn)品追蹤器、健身設(shè)備和其他類似的小型設(shè)備等產(chǎn)品。

在人體附近使用的可穿戴設(shè)備和醫(yī)療設(shè)備是一個(gè)特殊的挑戰(zhàn)。人體限制射頻信號(hào),所以設(shè)計(jì)者應(yīng)考慮天線將如何輻射,并確保天線的放置方式,以使人體不會(huì)阻礙信號(hào)。

可穿戴的設(shè)備可以小到50mm甚至更少。其中一些可能使用不止一個(gè)天線!

影響小型設(shè)備天線性能的因素有幾個(gè),本文將依次討論這些因素。第一個(gè)也是最重要的是地面,在許多情況下,地面是天線輻射所必需的。但這并不是全部,設(shè)計(jì)者應(yīng)該正確地放置天線,并考慮其他組件和這些組件相對(duì)于天線的位置,以確保天線的路徑中沒有噪音或金屬。最后,該裝置的套管可以發(fā)揮作用,我們將概述主要材料避免。

嵌入式天線-如何工作

偶極天線使用兩個(gè)散熱器操作,但是嵌入式芯片天線只有一個(gè)。對(duì)于嵌入式天線,電路板的表面變成第二個(gè)散熱器。這就解釋了為什么如果電路板的長(zhǎng)度太短,天線就無法有效地工作。

天線的共振與其波長(zhǎng)直接相關(guān).天線必須在波長(zhǎng)的整數(shù)倍數(shù)或分?jǐn)?shù)上共振,最短共振長(zhǎng)度為波長(zhǎng)的四分之一。

在316MHZ頻率的全波天線需要大約327mm長(zhǎng),這對(duì)嵌入式天線是不實(shí)際的,但四分之一波版本是實(shí)際的地面平面長(zhǎng)度,87毫米。這將通過銅痕跡和隱藏在一個(gè)微小的表面安裝的芯片天線層卷起來。

天線設(shè)計(jì)者通過使用地面平面作為半波偶極子的缺失的一半來繞過這個(gè)限制,所以四分之一波的單極天線會(huì)輻射到地面平面上。因此,小型無線設(shè)備中最流行的嵌入式天線往往是四分之一波單極天線。

地面平面長(zhǎng)度

為了使嵌入式天線能夠有效工作,地面必須在其最低頻率下至少是天線的四分之一波長(zhǎng)。因此,在較低頻率下,當(dāng)?shù)孛嫫矫鏋?00mm或以上時(shí),設(shè)計(jì)會(huì)容易得多。

嵌入式天線的性能與其地面平面的長(zhǎng)度直接相關(guān),因此,允許地面平面圖的正確長(zhǎng)度是較小設(shè)計(jì)的最大挑戰(zhàn)。

圖1顯示了從左側(cè)794兆赫到右側(cè)2.69千兆赫的地面平面長(zhǎng)度和天線效率之間的權(quán)衡。

圖1

這些結(jié)果清楚地顯示了小地面平面在頻率低于1ghz時(shí)天線的效率是如何下降的。這些結(jié)果被用于一個(gè)3G/4G芯片天線運(yùn)行在頻率791-960兆赫,1710-2170兆赫,2300-1400兆赫和2500-2969兆赫。

一般來說,使用頻率低于1ghz的設(shè)備,地面需要100mm或更多。在美國,4G頻率使用的頻帶最低可達(dá)698MHZ,甚至像T移動(dòng)的B71頻帶需要的地面平面甚至超過100毫米。

天線在電路板上定位

接下來,我們應(yīng)該考慮天線在電路板上的位置及其相對(duì)于其他部件的位置。天線應(yīng)放置在最好的位置,在整個(gè)射頻布局和電路板堆疊,使其有效輻射。

每一個(gè)單獨(dú)的天線都設(shè)計(jì)成在電路板上的幾個(gè)地方有效工作。這通常是角或邊,但每一個(gè)天線都是不同的,所以根據(jù)制造商對(duì)天線的推薦選擇一個(gè)適合設(shè)計(jì)的天線并放置它是很重要的。

圖2展示了天線如何放置在可穿戴產(chǎn)品或手表等小型設(shè)備的間隙區(qū)域。

圖2

圖3展示了手表設(shè)計(jì)中合適的天線位置。該設(shè)計(jì)維護(hù)此天線上面和下面指定的推薦間隙,這是紅色顯示。

圖3

不要放置有噪音的部件,例如電池或液晶顯示器,靠近天線部分。天線是接收能量的無源元件,它將接收從噪聲元件中散發(fā)出來的噪聲,并將噪聲轉(zhuǎn)移到無線電,從而降低接收到的信號(hào)。天線還應(yīng)該放置在遠(yuǎn)離人體的地方,以提高射頻性能,這是圖3中以藍(lán)色標(biāo)示的距離。

射頻進(jìn)給和接地連接的布置對(duì)天線的功能至關(guān)重要。由于小型PCB中有小型嵌入式天線,在PCB上蝕刻的銅軌可能構(gòu)成天線的一個(gè)組成部分,因此應(yīng)注意遵守制造商的規(guī)格或參考設(shè)計(jì)。

總體射頻布局和PCB儲(chǔ)存

通過在設(shè)計(jì)中仔細(xì)考慮射頻元件的布局,您可以最大限度地提高天線的性能。銅地面平面不應(yīng)與痕跡切割或設(shè)置在一個(gè)以上的層,那么地面平面部分的天線將能夠更有效地輻射。

在電路板布局中,必須保持液晶或電池等部件遠(yuǎn)離天線區(qū)域,因?yàn)樗鼈儠?huì)干擾天線的輻射方式。

對(duì)于多頻帶頻率,我們建議使用至少四層的電路板布局。

圖4顯示了上層和底層是如何提供地面平面的,而需要遠(yuǎn)離地面平面的數(shù)字信號(hào)和功率是如何在它們之間的空間運(yùn)行的。

圖4

為性能調(diào)整天線

對(duì)于地面面短于理想的情況,設(shè)計(jì)者可以研究其他技術(shù)來提高嵌入式天線的性能。

一種方法是為其運(yùn)行的國家調(diào)整天線。4G頻率范圍很廣,從698MHZ到2690MHZ不等,但每個(gè)不同的世界區(qū)域只使用這條頻帶的一部分,而且天線一次只能在一個(gè)頻率上工作。這意味著當(dāng)一個(gè)產(chǎn)品要在一個(gè)地理區(qū)域使用時(shí),它可以被調(diào)到更窄的頻帶中。這將提高天線的性能。

另一種技術(shù)是包括有源調(diào)諧網(wǎng)絡(luò),這實(shí)際上是一個(gè)額外的射頻開關(guān)電路,它將有助于克服由一個(gè)較小的地面造成的帶寬減少,而該地面上的主電路板小于75mm。在天線送出點(diǎn)附近增加了圓周線匹配電路,以微調(diào)天線,提高性能。匹配電路的設(shè)計(jì)通常需要射頻專家的幫助。

圖5顯示了天線評(píng)估板上的匹配電路。

圖5

設(shè)計(jì)輸電線路

一旦選擇了PCB的材料,并知道其厚度和介電常數(shù),就可以利用商業(yè)上可用的射頻跟蹤設(shè)計(jì)軟件包設(shè)計(jì)出共平面?zhèn)鬏斁€。這將利用電路板厚度、銅層分離和襯底介電常數(shù)來計(jì)算輸電線路的最佳寬度和兩側(cè)適當(dāng)?shù)拈g隙,以實(shí)現(xiàn)共平面輸電線路50微米。

所有的傳輸線路都應(yīng)該設(shè)計(jì)成具有50歐的特性阻抗,而射頻系統(tǒng)的其他部分,如收發(fā)器或功率放大器也應(yīng)該設(shè)計(jì)為50歐的阻抗。

其他因素

可能有一個(gè)以上的天線,在同一電路板的不同頻率上工作,但放置在很近的地方。如果天線只是接收系統(tǒng),例如全球定位系統(tǒng)接收器,那么附近的發(fā)射天線,例如4G無線電可以使全球定位系統(tǒng)的精度降低。必須注意通過天線之間的物理距離來分離這些天線系統(tǒng)--確保天線是相互正交的--或者通過割取地面平面來移除天線之間共有的地面電流。

在多輸入、多輸出(MIMO)系統(tǒng)中,設(shè)計(jì)將需要多個(gè)天線,這些天線應(yīng)與另一個(gè)天線相對(duì)放置,以便它們能夠共存。它們可以匹配到相同的頻率。必須放置天線,以確保隔離和交叉相關(guān)在可接受的限度內(nèi)。如上所述,必須謹(jǐn)慎地通過天線之間的物理距離將設(shè)備中的天線分開,確保天線之間的正交,或通過在天線之間割取地面平面,以去除天線之間共享的地面電流。

圖6顯示了多樣性的鄰近配置。

圖6

圖7顯示了反對(duì)多樣性的配置。

圖7

外殼不應(yīng)含有靠近天線的金屬,但某些金屬化涂層是可以接受的,因?yàn)樗鼈儾荒苡行У貙?dǎo)電?？拷炀€的金屬物體會(huì)使天線的頻率變低。它還可以減少天線設(shè)計(jì)用來操作的帶寬。天線附近的金屬物體的另一個(gè)問題是,金屬物體將信號(hào)擋在金屬放置的方向上,從而減少了整個(gè)輻射模式,并可能造成信號(hào)退化,從而失去與基站的連接。

結(jié)論

如果產(chǎn)品設(shè)計(jì)要包括一個(gè)天線,特別是如果它使用的是一個(gè)小的電路板,我們將建議首先選擇天線,并將此首先放在電路板。這樣做比把天線插進(jìn)其他設(shè)計(jì)中要容易得多。首先考慮天線通常是最快的方法來實(shí)現(xiàn)一個(gè)設(shè)計(jì),在那里射頻元件執(zhí)行它應(yīng)該。

這將增加設(shè)備獲得網(wǎng)絡(luò)認(rèn)可的機(jī)會(huì)。如果要獲得批準(zhǔn),天線需要有效地工作,而且規(guī)則很嚴(yán)格。然而,確實(shí)允許使用小于107mm的設(shè)備,并降低了這些小型設(shè)備的效率閾值。