如何在小型pcb的移動設備上獲得更好的無線性能

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

小型無線設備的需求正在增長，用于消費類應用，如可穿戴設備、醫療設備和跟蹤器，以及工業應用，如照明、安全和建筑管理。因此，更小的電子設備將需要更小的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，因為設備不能消耗太多的功率。

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

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，將導致功耗和成品網絡審批問題。這意味著產品設計師面臨的挑戰是創造一個有足夠空間讓天線正常工作的設計，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網設備、產品跟蹤器、健身設備和其他類似的小型設備。

近距離使用的可穿戴設備和醫療設備帶來了特殊的挑戰。人體對射頻信號有一定的限制，所以設計師應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，設計師應正確放置天線，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。天線必須以波長的整數倍或分數倍諧振，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部的銅線和層上。

天線設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，當地平面為100mm或更大時，設計將更容易。

嵌入式天線的性能直接關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計的最大挑戰。

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衡。

Figure 1.

這些結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芯片天線的結果。

一般來說，對于頻率低于1GHz的設備，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計的天線，并根據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備（如可穿戴產品或手表）中的間隙區域。

Figure 2.

圖3顯示了適合手表設計的天線位置。并保持上述設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，并將噪聲傳輸到收音機，從而降低接收到的信號。天線也應遠離人體以提高射頻性能，這是上面圖3中用藍色標記的距離。

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

整體射頻布局和PCB堆疊

通過在設計中仔細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字信號和電源則在這兩層之間的空間中運行。

Figure 4.

調整天線性能

對于接地層比理想短的情況，設計師可以考慮其他技術來提高嵌入式天線的性能。

一種方法是調整天線的工作國。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，當一個產品要在一個地理區域使用時，可以對其進行調諧，使其在較窄的頻段內工作。這將提高天線的性能。

另一種技術是包括一個有源調諧網絡，有效地增加了一個射頻開關電路，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，提高天線性能。匹配電路的設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，就可以使用商用RF跟蹤設計軟件包來設計共面傳輸線。這將使用PCB厚度、銅層分離和基板介電常數來計算傳輸線的最佳寬度和兩側的適當間隙，以實現50?的共面傳輸線。

所有傳輸線的特性阻抗應設計為50?，射頻系統的其他部分，如收發器或功率放大器，也應設計為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，例如GPS接收機，則可能會被附近的發射天線（如4G無線電）檢測到，從而降低GPS系統的精度。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-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）系統中，設計需要一個以上的天線，這些天線應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在可接受的范圍內。如上所述，必須小心地通過天線之間的物理距離來分離設備中的天線，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能量。天線附近的金屬物體會導致天線的頻率降低。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，并可能導致信號劣化到與基站失去連接的程度。

結論

如果產品設計包括天線，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計要容易得多。首先考慮天線通常是實現射頻元件正常工作的設計的最快方法。

這將增加獲得設備網絡批準的機會。如果要獲得批準，而且規則很嚴格，那么天線就需要高效運行。然而，AT&T確實考慮到了小于107毫米的設備，并降低了這些小型設備的效率閾值。

總結

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