作者：Cody Stetzel

射頻天線設(shè)計與布局是需要認(rèn)真關(guān)注細(xì)節(jié)的領(lǐng)域之一，也是混合信號設(shè)計師給出的一些提示。如果剛開始接觸高頻模擬設(shè)計，可采用本文給出的這些技巧，以確保RF設(shè)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(chǎn)品不含有天線。就連我的車庫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，都會給射頻設(shè)計師帶來新的挑戰(zhàn)，尤其是現(xiàn)在模擬設(shè)計技能又開始重新發(fā)揮關(guān)鍵作用。隨著各種射頻功能被添加到新型PCB，設(shè)計師如何才能確保系統(tǒng)中的信號不會被破壞且繼續(xù)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(shè)計來確保射頻信號不被周圍的數(shù)字元器件削弱。這些同樣的設(shè)計方案有助于防止多個模擬信號之間發(fā)生相互干擾。雖然在設(shè)計混合信號或全射頻系統(tǒng)時，需要考慮到很多射頻設(shè)計要素，但天線的設(shè)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(shè)計領(lǐng)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(shè)計基本要點

圖2:射頻PCB上的網(wǎng)格化系統(tǒng)布局

浮動的導(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?？梢詮木W(wǎng)上找到許多參考設(shè)計，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(shè)計。無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)計師應(yīng)該從混合信號設(shè)計師那里獲得一些建議(大多數(shù)射頻PCB 實際上是混合信號PCB)，以防止射頻前端、后端和數(shù)字部分的多個區(qū)域之間發(fā)生干擾。

· 有效的輻射：這樣做的目標(biāo)是確保來自天線要素的輻射既可以遠(yuǎn)離PCB，又不會被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布局不會接收其他設(shè)備發(fā)出的信號（可能在廣泛的頻率范圍內(nèi)發(fā)射信號）。

在實際PCB領(lǐng)域，大多數(shù)設(shè)計目標(biāo)是相互競爭（優(yōu)先級）的，但要遵循兩個要點，幫助平衡這些設(shè)計目標(biāo)。

1、在PCB布局中分離電路塊

這是基本的混合信號PCB設(shè)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(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)域的返回路徑不會相互干擾，否則就會產(chǎn)生噪聲耦合和串?dāng)_。集成在先進(jìn)PCB設(shè)計工具中的場解算器可以幫助在構(gòu)建PCB布局時發(fā)現(xiàn)返回路徑的偏差。對于高頻設(shè)計，使用連續(xù)的接地面結(jié)構(gòu)可以確?；亓髀窂降倪B貫性。

2、隔離天線部分

現(xiàn)代手機(jī)和蜂窩設(shè)備因為使用了創(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)來保障射頻天線信號的完整性，是已經(jīng)經(jīng)過深入研究的復(fù)雜設(shè)計問題。如果不是橢圓積分學(xué)科的專家，則需要依靠電磁(EM)場解算器來確定這些結(jié)構(gòu)對饋線、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

如果能用EM場解算器，可以用近場和遠(yuǎn)場模擬來確定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轉(zhuǎn)換FDTD結(jié)果。

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

關(guān)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(zhì)天線，射頻天線有多種形式。

·?在設(shè)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(dāng)需要設(shè)計射頻天線時，應(yīng)該使用CAD工具幫助設(shè)計隔離結(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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