添加天线如何改变设计过程

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