PCB射頻天線設計基本要點及布局技巧

作者：Cody Stetzel

射頻天線設計與布局是需要認真關注細節的領域之一，也是混合信號設計師給出的一些提示。如果剛開始接觸高頻模擬設計，可采用本文給出的這些技巧，以確保RF設計具有良好的隔離效果和信號完整性。

如今，人們已很難想到哪個消費產品不含有天線。就連我的車庫開門裝置也可以通過藍牙或Wi-Fi連接手機。每次有新的射頻天線被添加到PCB布局，都會給射頻設計師帶來新的挑戰，尤其是現在模擬設計技能又開始重新發揮關鍵作用。隨著各種射頻功能被添加到新型PCB，設計師如何才能確保系統中的信號不會被破壞且繼續保持信號的完整性？

圖1:這個SMA連接器同軸連接到了射頻天線

好在還可以選擇一些簡單的設計來確保射頻信號不被周圍的數字元器件削弱。這些同樣的設計方案有助于防止多個模擬信號之間發生相互干擾。雖然在設計混合信號或全射頻系統時，需要考慮到很多射頻設計要素，但天線的設計和布局可能是其中最重要的兩個要素。下文可幫助你了解PCB的射頻天線設計領域中需要掌握的知識，以及如何確保模擬信號的完整性。

射頻天線設計基本要點

圖2:射頻PCB上的網格化系統布局

浮動的導電輻射器： 這是天線發出輻射的要素。

基準：有助于確定結構在每個天線模式中方向性的天線基準平面或要素。

饋線：饋線將輸入信號從射頻元器件傳給輻射的天線要素。

與阻抗匹配的網絡：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，以防止發生反射并確保在所需的載波頻率和帶寬下達到最大傳輸功率。

人們已經研究了大量標準的天線設計?？梢詮木W上找到許多參考設計，將其復制到PCB布局中。還可以在微波工程教科書中找到許多標準天線結構的設計公式。

如果想使用COTS射頻天線，可以在市場上找到許多低成本的設計。無論選擇使用哪種射頻天線，都需要將其謹慎放置在PCB布局中，以防止不同部分之間發生干擾。

射頻天線布局技巧

一旦設計好了天線，就該弄清楚它應該放在PCB上的什么位置。射頻設計師應該從混合信號設計師那里獲得一些建議(大多數射頻PCB 實際上是混合信號PCB)，以防止射頻前端、后端和數字部分的多個區域之間發生干擾。

· 有效的輻射：這樣做的目標是確保來自天線要素的輻射既可以遠離PCB，又不會被PCB布局中的其他結構所接收。

· 隔離：同樣也不希望PCB布局中的多個部分之間發生相互干擾。

· 電磁兼容性(EMC)：需要確保PCB布局不會接收其他設備發出的信號（可能在廣泛的頻率范圍內發射信號）。

在實際PCB領域，大多數設計目標是相互競爭（優先級）的，但要遵循兩個要點，幫助平衡這些設計目標。

1、在PCB布局中分離電路塊

這是基本的混合信號PCB設計主題，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。一般來說，最好把天線部分放在靠近PCB邊緣的地方，遠離其他模擬元器件。這樣可以將強輻射限制在PCB的某個位置，確保PCB各部分之間的干擾保持在最低水平。

網格化的挑戰在于要確保不同區域的返回路徑不會相互干擾，否則就會產生噪聲耦合和串擾。集成在先進PCB設計工具中的場解算器可以幫助在構建PCB布局時發現返回路徑的偏差。對于高頻設計，使用連續的接地面結構可以確?；亓髀窂降倪B貫性。

2、隔離天線部分

現代手機和蜂窩設備因為使用了創新性的隔離結構，已成為射頻隔離技術的黃金標準。很簡單，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。

隔離結構一般放在射頻要素之間，阻止它們之間發生噪聲耦合或功率交換。決定使用哪種隔離結構來保障射頻天線信號的完整性，是已經經過深入研究的復雜設計問題。如果不是橢圓積分學科的專家，則需要依靠電磁(EM)場解算器來確定這些結構對饋線、射頻天線阻抗的影響，以及這些結構的隔離強度。

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圖3:各種射頻隔離結構的優缺點

如果能用EM場解算器，可以用近場和遠場模擬來確定PCB布局中出現強輻射的區域。一旦確定了這些區域的位置以及發射出來的頻率，就更容易決定應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轉換FDTD結果。

雖然射頻天線的設計和布局需要人們額外關注細節，但努力是有回報的，因為這樣做可以確保射頻設計的隔離效果和信號完整性。

關鍵要點

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

·?在設計帶有一個或多個天線的PCB布局時，需要確保PCB中不同電路模塊之間的隔離效果。

·?當需要設計射頻天線時，應該使用CAD工具幫助設計隔離結構、過渡結構，甚至是PCB中印制的天線。

編輯哦：黃飛

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