PCB射频天线设计基本要点及布局技巧

作者：Cody Stetzel

射频天线设计与布局是需要认真关注细节的领域之一，也是混合信号设计师给出的一些提示。如果刚开始接触高频模拟设计，可采用本文给出的这些技巧，以确保RF设计具有良好的隔离效果和信号完整性。

如今，人们已很难想到哪个消费产品不含有天线。就连我的车库开门装置也可以通过蓝牙或Wi-Fi连接手机。每次有新的射频天线被添加到PCB布局，都会给射频设计师带来新的挑战，尤其是现在模拟设计技能又开始重新发挥关键作用。随着各种射频功能被添加到新型PCB，设计师如何才能确保系统中的信号不会被破坏且继续保持信号的完整性？

图1:这个SMA连接器同轴连接到了射频天线

好在还可以选择一些简单的设计来确保射频信号不被周围的数字元器件削弱。这些同样的设计方案有助于防止多个模拟信号之间发生相互干扰。虽然在设计混合信号或全射频系统时，需要考虑到很多射频设计要素，但天线的设计和布局可能是其中最重要的两个要素。下文可帮助你了解PCB的射频天线设计领域中需要掌握的知识，以及如何确保模拟信号的完整性。

射频天线设计基本要点

图2:射频PCB上的网格化系统布局

浮动的导电辐射器： 这是天线发出辐射的要素。

基准：有助于确定结构在每个天线模式中方向性的天线基准平面或要素。

馈线：馈线将输入信号从射频元器件传给辐射的天线要素。

与阻抗匹配的网络：天线通常具有约10欧姆的阻抗，因此它需要与馈线的阻抗相匹配，以防止发生反射并确保在所需的载波频率和带宽下达到最大传输功率。

人们已经研究了大量标准的天线设计。可以从网上找到许多参考设计，将其复制到PCB布局中。还可以在微波工程教科书中找到许多标准天线结构的设计公式。

如果想使用COTS射频天线，可以在市场上找到许多低成本的设计。无论选择使用哪种射频天线，都需要将其谨慎放置在PCB布局中，以防止不同部分之间发生干扰。

射频天线布局技巧

一旦设计好了天线，就该弄清楚它应该放在PCB上的什么位置。射频设计师应该从混合信号设计师那里获得一些建议(大多数射频PCB 实际上是混合信号PCB)，以防止射频前端、后端和数字部分的多个区域之间发生干扰。

· 有效的辐射：这样做的目标是确保来自天线要素的辐射既可以远离PCB，又不会被PCB布局中的其他结构所接收。

· 隔离：同样也不希望PCB布局中的多个部分之间发生相互干扰。

· 电磁兼容性(EMC)：需要确保PCB布局不会接收其他设备发出的信号（可能在广泛的频率范围内发射信号）。

在实际PCB领域，大多数设计目标是相互竞争（优先级）的，但要遵循两个要点，帮助平衡这些设计目标。

1、在PCB布局中分离电路块

这是基本的混合信号PCB设计主题，它也同样适用于射频天线的布局。天线在PCB上的位置需要与其他电路块分开。一般来说，最好把天线部分放在靠近PCB边缘的地方，远离其他模拟元器件。这样可以将强辐射限制在PCB的某个位置，确保PCB各部分之间的干扰保持在最低水平。

网格化的挑战在于要确保不同区域的返回路径不会相互干扰，否则就会产生噪声耦合和串扰。集成在先进PCB设计工具中的场解算器可以帮助在构建PCB布局时发现返回路径的偏差。对于高频设计，使用连续的接地面结构可以确保回流路径的连贯性。

2、隔离天线部分

现代手机和蜂窝设备因为使用了创新性的隔离结构，已成为射频隔离技术的黄金标准。很简单，隔离操作就是在PCB的射频敏感要素周围放置屏蔽物，以阻止发射器和接收器之间的波传播。下文给出了可以在射频天线部分使用的一些方案，帮助在元件、馈线和天线之间相互形成隔离或与外部噪声源隔离。

隔离结构一般放在射频要素之间，阻止它们之间发生噪声耦合或功率交换。决定使用哪种隔离结构来保障射频天线信号的完整性，是已经经过深入研究的复杂设计问题。如果不是椭圆积分学科的专家，则需要依靠电磁(EM)场解算器来确定这些结构对馈线、射频天线阻抗的影响，以及这些结构的隔离强度。

 

图3:各种射频隔离结构的优缺点

如果能用EM场解算器，可以用近场和远场模拟来确定PCB布局中出现强辐射的区域。一旦确定了这些区域的位置以及发射出来的频率，就更容易决定应该使用哪类隔离方法。最好是直接使用有限元法(FEM)解算器，而不是使用傅里叶变换来转换FDTD结果。

虽然射频天线的设计和布局需要人们额外关注细节，但努力是有回报的，因为这样做可以确保射频设计的隔离效果和信号完整性。

关键要点

· 从集成在IC中的平面芯片天线到直接印制在PCB上的铜质天线，射频天线有多种形式。

· 在设计带有一个或多个天线的PCB布局时，需要确保PCB中不同电路模块之间的隔离效果。

· 当需要设计射频天线时，应该使用CAD工具帮助设计隔离结构、过渡结构，甚至是PCB中印制的天线。

编辑哦：黄飞