添加天线如何改变设计过程

添加天线如何改变设计过程,第1张

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,设计人员应先安排设计的射频元件,然后再考虑其他组件。在本文中,我们着眼于天线添加到设计周期的额外阶段,从选择最合适的天线开始。

  天线选择

  最流行的嵌入式天线是表面贴装设备 (SMD) 组。它们之所以受欢迎,主要是因为它们有效地利用了电路板空间,还因为它们可以在器件中实现出色的性能。这些天线很小;它们的宽度可以小至 1 毫米,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。

  设计者还可以考虑使用现成的天线模块。这些将天线与其他组件一起包含在一个小封装中,随时可以放入设计中。选择天线模块的主要优势在于它可以直接放入设计中,并且射频电路是现成的。

  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,带有一体式电缆和一个用于将它们连接到电路板的 UFL 连接器。它足够薄,可以稍微弯曲成一个曲面,然后塞进设备内的一个小空间里,也许固定在设计的外壳内。FPC 在空间狭小的地方是一个不错的选择,并且在小型手持设备中很受欢迎。

  如果设备的设计包含可能影响性能的材料,设计人员可能会选择外部天线。嵌入式天线往往无法实现接近金属组件的强大性能,因此如果将大型金属特征纳入设计中,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。

  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,它们仍然可以以最小的损耗运行。外壳安装天线为 PCB 上的其他组件腾出了空间,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

  在典型无线设计中的所有组件中,天线可能对其位置最敏感。因此,建议一开始就决定天线的位置。

  SMD 天线直接焊接到主机 PCB 上,天线的位置对其射频性能有影响。天线将沿着一个轴在六个方向上辐射,通常是沿着天线的长度方向。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 的一角,或设计用于 PCB 的边缘之一。制造商设计他们的天线以在不同的位置工作,每个天线的数据表将准确指定天线的辐射方式,以及如何将其放置在主机 PCB 上以优化性能。

  有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以及任何具有高金属含量的组件,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比空气高,可能会使天线的谐振频率失谐。

  射频接地层和电路板设计

  SMD 天线通常需要接地层来辐射。在嵌入式设计中,接地层是 PCB 的一部分,它为 RF 信号往复提供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,因为这将使天线能够有效地辐射。

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

  除了需要接地层外,天线通常还需要在其周围留出一定的空间,以便没有任何其他组件——一个禁区。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,并且这些区域需要与其他组件保持距离,可能通过几层,如果不是天线下方的所有电路板的话。

  如果从无线电到天线的射频迹线尽可能短,则设备的射频性能将最佳。这是因为较长的传输线更容易在铜迹线中产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,我们建议将设计中的射频元件放置在尽可能靠近天线的位置。

  一些设计将受益于射频电路内的集总元件匹配电路(例如Pi 匹配电路),以调整天线以提高工作带宽。

  Gerber 审查和射频测试

  在设计最终确定之前,Gerber 文件布局审查可以很好地检查 PCB 设计的层堆叠中的射频电路和传输线,并将标记任何不完全正确的区域。Gerber 审查检查天线、模块、传输线、通孔和 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。这是在消声室中完成的。然而,天线可能在室内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头或幻手对天线进行调谐和测试。

  更多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。这些测试在设计需要运营商网络批准的情况下至关重要,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。

  审核编辑:郭婷

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