天线设计：射频的接地层和电路板设计

作者：Antenova的Geoff Schulteis

当产品是无线的并且需要额外天线时，设计周期会有所不同。天线会改变设计过程，因为必须小心地将其放置在PCB的最佳位置，因此必须考虑天线与设计中其他某些组件的关系，这一点很重要。

理想情况下，设计人员应在考虑其他组件之前就进行射频设计。在本文中，我们将从选择最合适的天线开始，探讨天线在设计周期中的其他阶段。

天线选择

最受欢迎的嵌入式天线是表面安装设备（SMD）。它们之所以受欢迎，主要是因为它们有效利用了电路板空间，而且还因为它们可以在设备内实现出色的性能。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焊到PCB上。通常，它们是由高级电介质层压基板制造的。

设计人员还可以考虑使用现成的天线模块。这些天线与其他组件装在一个小封装中，可以放入设计中。选择天线模块的主要优点是可以将其插入设计中，并且射频电路已准备就绪。

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被限制在可用的电路板空间中，或者由于某种原因，SMD天线不容易安装。FPC包括一层薄薄的铜覆带，一条完整的电缆和一个将其连接到电路板上的UFL连接器。它足够薄，表面可弯曲，可塞入设备内的狭小空间中，也可固定在设计的外壳内。FPC是空间狭窄的理想选择，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会影响性能的材料，则设计人员可以选择外部天线（图1）。嵌入式天线往往无法容易被金属件所屏蔽，因此，如果在设计中加入了大型金属件，则放置在设备外部的终端或机壳安装天线可能会提供最佳性能。

图1外部天线选项包括（从左到右）SMD天线，FPC天线或外部天线。资料来源：Antenova

这些天线自身由绝缘材料制成，以隔离RF信号，如果附近有金属部件，它们的性能仍将保持最小的损耗。盒装天线为PCB上的其他组件释放了空间，并且由于它们对设计中的其他部分不那么敏感，因此易于集成。

天线放置

在典型的无线设计中的所有组件中，天线可能对其位置最敏感。因此，建议一开始就确定天线的位置。

SMD天线直接焊接到主机PCB上，天线的位置对其RF性能有影响。天线通常会沿着天线的长度沿一条轴在六个方向上辐射。这意味着应具有尽可能多的方向，且没有反射性和吸收性障碍。因此，通常将天线放置在PCB的一角，或设计成可在PCB的一个边缘上使用。制造商将天线设计为在不同位置工作，每个天线的数据表将准确说明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。

图2将SMD天线放置在PCB的长边上。资料来源：Antenova

需要将某些组件放置在尽可能远离天线的位置，因为它们会产生噪声并可能对天线的辐射性能产生阻抗。引起干扰的主要罪魁祸首是电动机，电池和任何金属含量高的组件，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，并且可能会使天线的谐振频率失谐。

射频的接地层和电路板设计

SMD天线通常需要接地平面才能辐射。在嵌入式设计中，接地层是PCB的一部分，为RF信号往复提供了平坦的连续表面。接地平面必须具有一定的长度，该长度与天线的最长波长有关。因此，至关重要的是为PCB上的接地层提供正确的空间，因为这将使天线有效地辐射。

根据在天线制造商的数据表中进行说明。有时，地平面在天线下方，有时在其附近。这将因天线而异，这是选择SMD天线的一个因素。

天线除了需要接地层外，通常还需要在天线周围留出一定的空间，以避开任何其他组件（避开区域）。每个天线的净空保持要求对于每个单独的天线也是唯一的，并且这些区域将需要保持远离其他组件的距离，如果不是天线下方的板子，则可能需要通过几层。

如果从无线电到天线的射频走线尽可能短，则设备的射频性能将是最好的。这是因为较长的传输线更容易在铜线上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，我们建议将设计的射频元件放置在尽可能靠近天线的位置。

一些设计将从射频电路内的元件匹配电路（例如Pi匹配电路）中受益，以调谐天线改善工作带宽。

图3具有有源调谐电路的天线设计可以克服带宽较小的接地平面所带来的带宽降低。资料来源：Antenova

Gerber审查和RF测试

在完成设计之前，对Gerber文件布局进行检查可以很好地检查PCB设计叠层中的RF电路和传输线，并将标记出不正确的区域。Gerber审查检查天线，模块，传输线，过孔和PCB材料是否均已针对良好的RF性能进行了优化。一些天线设计公司会收取Gerber评论的费用，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。这是在暗室中完成的。但是，天线可能会在腔室的完美条件下正常工作，但在最终应用中表现不同，在该最终应用中，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，应使用暗室内的机械手对天线进行调谐和测试。

其他一些测试可以评估设计在现实生活中的运行状况：无源测试，空中（OTA）测试和合成孔径雷达（SAR）。将测量结果的效率，杂散发射，总辐射功率和总各向同性灵敏度。

测试设计至关重要，以确保设备在日常使用中能够正确运行，并且不会产生辐射或干扰。在设计需要运营商网络批准的情况下，这些测试至关重要，通常需要使用专业的RF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，以获得在其网络上使用的批准。
编辑：hfy