如何在小型pcb的移動設(shè)備上獲得更好的無線性能

How to get better wireless performance for mobile devices with small PCBs

小型無線設(shè)備的需求正在增長，用于消費類應(yīng)用，如可穿戴設(shè)備、醫(yī)療設(shè)備和跟蹤器，以及工業(yè)應(yīng)用，如照明、安全和建筑管理。因此，更小的電子設(shè)備將需要更小的PCB，這意味著天線必須使用較短的接地平面，如果它們是電池供電的，電源也是一個因素，因為設(shè)備不能消耗太多的功率。

這對產(chǎn)品設(shè)計師來說是一個很大的挑戰(zhàn)。在新產(chǎn)品可以在運營商網(wǎng)絡(luò)上使用之前，最終設(shè)計需要提交給正式的網(wǎng)絡(luò)和政府批準(zhǔn)，如果天線不能正常工作，或者如果設(shè)備通過重新輻射設(shè)備的噪聲而產(chǎn)生無線電干擾，則設(shè)計很可能失敗。因此，對于較小的產(chǎn)品，要獲得運營商的批準(zhǔn)就更難了，因為要實現(xiàn)足夠好的無線性能來通過最低的發(fā)射和接收電平，就更難了。這在美國尤其如此，因為設(shè)計必須符合嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)才能獲得網(wǎng)絡(luò)的批準(zhǔn)。

事實上，對于工作在1GHz以下頻率的電小型天線，理想情況下，它們需要100mm或更大的接地層長度才能獲得良好的性能和效率。如果天線效率下降，將導(dǎo)致功耗和成品網(wǎng)絡(luò)審批問題。這意味著產(chǎn)品設(shè)計師面臨的挑戰(zhàn)是創(chuàng)造一個有足夠空間讓天線正常工作的設(shè)計，同時還要將所有組件安裝到更小的PCB中。

對于工作頻率低于1GHz的天線來說尤其如此，這些天線通常用于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備、產(chǎn)品跟蹤器、健身設(shè)備和其他類似的小型設(shè)備。

近距離使用的可穿戴設(shè)備和醫(yī)療設(shè)備帶來了特殊的挑戰(zhàn)。人體對射頻信號有一定的限制，所以設(shè)計師應(yīng)該考慮天線的輻射方式，一定要把天線放在人體不會阻擋信號的地方。

可穿戴設(shè)備可以小到50毫米甚至更小。其中一些可能使用不止一個天線！

在小型設(shè)備中，有幾個因素會影響天線的性能，本文將依次介紹這些因素。第一個也是最重要的是地平面，在很多情況下，它對于天線的輻射是必不可少的。但這并不是全部，設(shè)計師應(yīng)正確放置天線，并考慮其他部件以及這些部件相對于天線的位置，以確保天線路徑中沒有噪音或金屬。最后，機殼對于設(shè)備可以起到不同的作用，我們將概述要避免的主要材料。

嵌入式天線-它們的工作原理

偶極子天線使用兩個散熱器工作，而嵌入式芯片天線只有一個。對于嵌入式天線，PCB的表面成為第二個散熱器。這解釋了為什么，如果PCB的長度太短，天線將不能有效地工作。

天線的共振與其波長直接相關(guān)。天線必須以波長的整數(shù)倍或分?jǐn)?shù)倍諧振，最短諧振長度為波長的四分之一。

916MHz頻率下的全波天線需要大約327mm長，這對于嵌入式天線是不可行的，但是對于87.2mm的接地層，四分之一波長的天線是可行的。這將盤繞在隱藏在微小的表面貼裝芯片天線內(nèi)部的銅線和層上。

天線設(shè)計人員利用地平面作為半波偶極子缺失的一半來克服這一局限性，使得四分之一波單極子天線輻射到地平面上。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子天線。

地平面長度

為了使嵌入式天線有效地工作，接地層必須至少是天線在其最低頻率時的四分之一波長。因此，在較低頻率下，當(dāng)?shù)仄矫鏋?00mm或更大時，設(shè)計將更容易。

嵌入式天線的性能直接關(guān)系到它的地平面的長度，因此允許平面圖是正確的長度是小型設(shè)計的最大挑戰(zhàn)。

圖1顯示了從左邊的794MHz到右邊的2.69GHz的接地層長度和天線效率之間的權(quán)衡。

Figure 1.

這些結(jié)果清楚地顯示了頻率低于1GHz的小型地面天線效率是如何下降的。這些結(jié)果是在791-960MHz，1710-2170MHz，2300-1400MHz和2500-2969MHz頻率下工作的3G/4G芯片天線的結(jié)果。

一般來說，對于頻率低于1GHz的設(shè)備，接地層需要為100mm或更大。在美國，4G頻段使用的頻段低至698MHz，甚至617MHz，因為T
Mobile的B71頻段要求接地層長度甚至超過100mm。

在PCB上定位天線

接下來，我們應(yīng)該考慮天線在PCB上的位置及其相對于其他組件的位置。天線應(yīng)放置在整體射頻布局和PCB堆疊的最佳位置，以使其有效輻射。

每個單獨的天線都被設(shè)計成可以在PCB上的幾個地方高效地工作。這通常是一個角落或一個邊緣，但是每個天線是不同的，所以選擇一個符合設(shè)計的天線，并根據(jù)制造商對該天線的建議放置它是很重要的。

圖2顯示了天線如何放置在一個小型設(shè)備（如可穿戴產(chǎn)品或手表）中的間隙區(qū)域。

Figure 2.

圖3顯示了適合手表設(shè)計的天線位置。并保持上述設(shè)計中所示的紅色天線間隙。

Figure 3.

不要將有噪音的部件，如電池或LCD靠近天線部分。天線是接收能量的無源元件，接收來自噪聲分量的輻射噪聲，并將噪聲傳輸?shù)绞找魴C，從而降低接收到的信號。天線也應(yīng)遠離人體以提高射頻性能，這是上面圖3中用藍色標(biāo)記的距離。

射頻饋線和接地連接的布置對天線的功能至關(guān)重要。對于小型PCB中的小型嵌入式天線，蝕刻在PCB上的銅軌道可能構(gòu)成天線的一個組成部分，因此應(yīng)注意遵循制造商的規(guī)范或參考設(shè)計。

整體射頻布局和PCB堆疊

通過在設(shè)計中仔細(xì)考慮射頻元件的布局，可以最大限度地提高天線的性能。銅接地板不應(yīng)被切割成痕跡或布置在一層以上，這樣天線的接地板部分將能夠更有效地輻射。

在PCB布局中，保持LCD或電池等組件遠離天線區(qū)域是非常重要的，因為這些可能會干擾天線的輻射方式。

對于多頻段頻率，我們建議至少有四層PCB布局。

圖4顯示了頂層和底層是如何提供接地層的，而需要遠離接地層的數(shù)字信號和電源則在這兩層之間的空間中運行。

Figure 4.

調(diào)整天線性能

對于接地層比理想短的情況，設(shè)計師可以考慮其他技術(shù)來提高嵌入式天線的性能。

一種方法是調(diào)整天線的工作國。4G的頻率范圍很寬，從698MHz到2690MHz，但是每個不同的世界區(qū)域只使用這個頻段的一部分，一個天線一次只能在一個頻率上工作。這意味著，當(dāng)一個產(chǎn)品要在一個地理區(qū)域使用時，可以對其進行調(diào)諧，使其在較窄的頻段內(nèi)工作。這將提高天線的性能。

另一種技術(shù)是包括一個有源調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)，有效地增加了一個射頻開關(guān)電路，這將有助于克服由于主電路板小于75毫米的接地面積而造成的帶寬減少。在天線饋源點附近增加PI匹配電路，對天線進行微調(diào)，提高天線性能。匹配電路的設(shè)計通常需要射頻專家的幫助。

圖5顯示了天線評估板上的匹配電路。

Figure 5.

設(shè)計輸電線路

一旦選擇了PCB的材料并且知道了其厚度和介電常數(shù)，就可以使用商用RF跟蹤設(shè)計軟件包來設(shè)計共面?zhèn)鬏斁€。這將使用PCB厚度、銅層分離和基板介電常數(shù)來計算傳輸線的最佳寬度和兩側(cè)的適當(dāng)間隙，以實現(xiàn)50?的共面?zhèn)鬏斁€。

所有傳輸線的特性阻抗應(yīng)設(shè)計為50?，射頻系統(tǒng)的其他部分，如收發(fā)器或功率放大器，也應(yīng)設(shè)計為50?的阻抗。

Antenova提供了一個免費的射頻傳輸線計算器工具，幫助設(shè)計師確定傳輸線的尺寸。

其他因素

可能有多個天線，在同一PCB上以不同的頻率工作，但放置得很近。如果天線是一個僅接收的系統(tǒng)，例如GPS接收機，則可能會被附近的發(fā)射天線（如4G無線電）檢測到，從而降低GPS系統(tǒng)的精度。必須小心地通過天線之間的物理距離來分離這些天線系統(tǒng)-確保天線彼此正交-或者通過開槽去除天線之間共享的接地電流。

在多輸入多輸出（MIMO）系統(tǒng)中，設(shè)計需要一個以上的天線，這些天線應(yīng)該與一個天線相對放置，以便它們能夠共存。然后它們可以匹配到相同的頻率。必須放置天線，以確保隔離和互相關(guān)在可接受的范圍內(nèi)。如上所述，必須小心地通過天線之間的物理距離來分離設(shè)備中的天線，確保天線彼此正交，或者在天線之間開槽以去除天線之間共享的接地電流。

圖6顯示了多樣性的接近配置。

Figure 6.

Figure 7 shows opposed configurations for diversity.

圖7顯示了多樣性的對立配置。

Figure 7.

外殼不應(yīng)包含靠近天線的金屬，但某些金屬涂層是可以接受的，因為它們不能有效地傳導(dǎo)能量。天線附近的金屬物體會導(dǎo)致天線的頻率降低。它還可以減少天線的工作帶寬。天線附近金屬物體的另一個問題是，金屬物體阻擋了金屬放置的方向上的信號，從而降低了整體輻射方向圖，并可能導(dǎo)致信號劣化到與基站失去連接的程度。

結(jié)論

如果產(chǎn)品設(shè)計包括天線，尤其是使用小型PCB的天線，我們建議首先選擇天線，然后將其放置在PCB上。這樣做比將天線插入其他已完成的設(shè)計要容易得多。首先考慮天線通常是實現(xiàn)射頻元件正常工作的設(shè)計的最快方法。

這將增加獲得設(shè)備網(wǎng)絡(luò)批準(zhǔn)的機會。如果要獲得批準(zhǔn)，而且規(guī)則很嚴(yán)格，那么天線就需要高效運行。然而，AT&T確實考慮到了小于107毫米的設(shè)備，并降低了這些小型設(shè)備的效率閾值。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的如何在小型pcb的移动设备上获得更好的无线性能的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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