作者：Cody Stetzel

射頻天線設(shè)計(jì)與布局是需要認(rèn)真關(guān)注細(xì)節(jié)的領(lǐng)域之一，也是混合信號(hào)設(shè)計(jì)師給出的一些提示。如果剛開始接觸高頻模擬設(shè)計(jì)，可采用本文給出的這些技巧，以確保RF設(shè)計(jì)具有良好的隔離效果和信號(hào)完整性。

如今，人們已很難想到哪個(gè)消費(fèi)產(chǎn)品不含有天線。就連我的車庫(kù)開門裝置也可以通過藍(lán)牙或Wi-Fi連接手機(jī)。每次有新的射頻天線被添加到PCB布局，都會(huì)給射頻設(shè)計(jì)師帶來(lái)新的挑戰(zhàn)，尤其是現(xiàn)在模擬設(shè)計(jì)技能又開始重新發(fā)揮關(guān)鍵作用。隨著各種射頻功能被添加到新型PCB，設(shè)計(jì)師如何才能確保系統(tǒng)中的信號(hào)不會(huì)被破壞且繼續(xù)保持信號(hào)的完整性？

圖1:這個(gè)SMA連接器同軸連接到了射頻天線

好在還可以選擇一些簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)來(lái)確保射頻信號(hào)不被周圍的數(shù)字元器件削弱。這些同樣的設(shè)計(jì)方案有助于防止多個(gè)模擬信號(hào)之間發(fā)生相互干擾。雖然在設(shè)計(jì)混合信號(hào)或全射頻系統(tǒng)時(shí)，需要考慮到很多射頻設(shè)計(jì)要素，但天線的設(shè)計(jì)和布局可能是其中最重要的兩個(gè)要素。下文可幫助你了解PCB的射頻天線設(shè)計(jì)領(lǐng)域中需要掌握的知識(shí)，以及如何確保模擬信號(hào)的完整性。

射頻天線設(shè)計(jì)基本要點(diǎn)

圖2:射頻PCB上的網(wǎng)格化系統(tǒng)布局

浮動(dòng)的導(dǎo)電輻射器： 這是天線發(fā)出輻射的要素。

基準(zhǔn)：有助于確定結(jié)構(gòu)在每個(gè)天線模式中方向性的天線基準(zhǔn)平面或要素。

饋線：饋線將輸入信號(hào)從射頻元器件傳給輻射的天線要素。

與阻抗匹配的網(wǎng)絡(luò)：天線通常具有約10歐姆的阻抗，因此它需要與饋線的阻抗相匹配，以防止發(fā)生反射并確保在所需的載波頻率和帶寬下達(dá)到最大傳輸功率。

人們已經(jīng)研究了大量標(biāo)準(zhǔn)的天線設(shè)計(jì)?？梢詮木W(wǎng)上找到許多參考設(shè)計(jì)，將其復(fù)制到PCB布局中。還可以在微波工程教科書中找到許多標(biāo)準(zhǔn)天線結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)公式。

如果想使用COTS射頻天線，可以在市場(chǎng)上找到許多低成本的設(shè)計(jì)。無(wú)論選擇使用哪種射頻天線，都需要將其謹(jǐn)慎放置在PCB布局中，以防止不同部分之間發(fā)生干擾。

射頻天線布局技巧

一旦設(shè)計(jì)好了天線，就該弄清楚它應(yīng)該放在PCB上的什么位置。射頻設(shè)計(jì)師應(yīng)該從混合信號(hào)設(shè)計(jì)師那里獲得一些建議(大多數(shù)射頻PCB 實(shí)際上是混合信號(hào)PCB)，以防止射頻前端、后端和數(shù)字部分的多個(gè)區(qū)域之間發(fā)生干擾。

· 有效的輻射：這樣做的目標(biāo)是確保來(lái)自天線要素的輻射既可以遠(yuǎn)離PCB，又不會(huì)被PCB布局中的其他結(jié)構(gòu)所接收。

· 隔離：同樣也不希望PCB布局中的多個(gè)部分之間發(fā)生相互干擾。

· 電磁兼容性(EMC)：需要確保PCB布局不會(huì)接收其他設(shè)備發(fā)出的信號(hào)（可能在廣泛的頻率范圍內(nèi)發(fā)射信號(hào)）。

在實(shí)際PCB領(lǐng)域，大多數(shù)設(shè)計(jì)目標(biāo)是相互競(jìng)爭(zhēng)（優(yōu)先級(jí)）的，但要遵循兩個(gè)要點(diǎn)，幫助平衡這些設(shè)計(jì)目標(biāo)。

1、在PCB布局中分離電路塊

這是基本的混合信號(hào)PCB設(shè)計(jì)主題，它也同樣適用于射頻天線的布局。天線在PCB上的位置需要與其他電路塊分開。一般來(lái)說，最好把天線部分放在靠近PCB邊緣的地方，遠(yuǎn)離其他模擬元器件。這樣可以將強(qiáng)輻射限制在PCB的某個(gè)位置，確保PCB各部分之間的干擾保持在最低水平。

網(wǎng)格化的挑戰(zhàn)在于要確保不同區(qū)域的返回路徑不會(huì)相互干擾，否則就會(huì)產(chǎn)生噪聲耦合和串?dāng)_。集成在先進(jìn)PCB設(shè)計(jì)工具中的場(chǎng)解算器可以幫助在構(gòu)建PCB布局時(shí)發(fā)現(xiàn)返回路徑的偏差。對(duì)于高頻設(shè)計(jì)，使用連續(xù)的接地面結(jié)構(gòu)可以確保回流路徑的連貫性。

2、隔離天線部分

現(xiàn)代手機(jī)和蜂窩設(shè)備因?yàn)槭褂昧藙?chuàng)新性的隔離結(jié)構(gòu)，已成為射頻隔離技術(shù)的黃金標(biāo)準(zhǔn)。很簡(jiǎn)單，隔離操作就是在PCB的射頻敏感要素周圍放置屏蔽物，以阻止發(fā)射器和接收器之間的波傳播。下文給出了可以在射頻天線部分使用的一些方案，幫助在元件、饋線和天線之間相互形成隔離或與外部噪聲源隔離。

隔離結(jié)構(gòu)一般放在射頻要素之間，阻止它們之間發(fā)生噪聲耦合或功率交換。決定使用哪種隔離結(jié)構(gòu)來(lái)保障射頻天線信號(hào)的完整性，是已經(jīng)經(jīng)過深入研究的復(fù)雜設(shè)計(jì)問題。如果不是橢圓積分學(xué)科的專家，則需要依靠電磁(EM)場(chǎng)解算器來(lái)確定這些結(jié)構(gòu)對(duì)饋線、射頻天線阻抗的影響，以及這些結(jié)構(gòu)的隔離強(qiáng)度。

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圖3:各種射頻隔離結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)

如果能用EM場(chǎng)解算器，可以用近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)模擬來(lái)確定PCB布局中出現(xiàn)強(qiáng)輻射的區(qū)域。一旦確定了這些區(qū)域的位置以及發(fā)射出來(lái)的頻率，就更容易決定應(yīng)該使用哪類隔離方法。最好是直接使用有限元法(FEM)解算器，而不是使用傅里葉變換來(lái)轉(zhuǎn)換FDTD結(jié)果。

雖然射頻天線的設(shè)計(jì)和布局需要人們額外關(guān)注細(xì)節(jié)，但努力是有回報(bào)的，因?yàn)檫@樣做可以確保射頻設(shè)計(jì)的隔離效果和信號(hào)完整性。

關(guān)鍵要點(diǎn)

·?從集成在IC中的平面芯片天線到直接印制在PCB上的銅質(zhì)天線，射頻天線有多種形式。

·?在設(shè)計(jì)帶有一個(gè)或多個(gè)天線的PCB布局時(shí)，需要確保PCB中不同電路模塊之間的隔離效果。

·?當(dāng)需要設(shè)計(jì)射頻天線時(shí)，應(yīng)該使用CAD工具幫助設(shè)計(jì)隔離結(jié)構(gòu)、過渡結(jié)構(gòu)，甚至是PCB中印制的天線。

編輯哦：黃飛

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