如何为带有小型pcb的移动设备获得更好的无线性能

文章作者:Geoff Schulteis

如果产品设计包括天线,特别是如果它使用一个小的PCB,我们建议先选择天线,并把它先放在PCB上。首先考虑天线通常是最快的方法来实现射频元件的设计,因为它应该…

小型无线设备的需求正在增长,用于可穿戴设备、医疗设备和跟踪器等消费者应用,以及照明、安全和建筑管理等工业应用。因此,更小的电子设备将需要更小的pcb,这意味着天线必须与更短的地面工作,如果它们是电池供电,功率也是一个因素——因为设备不能消耗太多的电力。

这对产品设计师来说是一个相当大的挑战。最后设计需要提交正式的网络和政府批准之前可以使用新产品在运营商网络,和设计可能会失败如果天线不正确执行,或者如果设备产生无线电干扰反射把噪音的设备。由此可见,更小的产品更难获得运营商的批准,因为要实现足以通过传输和接收最低水平的无线性能就更难了。在美国尤其如此,因为设计必须满足严格的标准才能获得网络批准。

事实上,对于频率在1GHz以下的电小天线来说,理想情况下,它们需要100mm或更多的地平面长度来实现良好的性能和效率。如果天线效率下降,将导致功耗和最终产品获得网络批准的问题。这意味着一个产品设计师的挑战是创建一个设计,有足够的空间来正确地执行天线,并仍然适合所有的组件到一个更小的PCB。

对于频率低于1GHz的天线来说尤其如此,这些天线通常用于物联网设备、产品跟踪器、健身设备和其他类似的小型设备。

贴近人体使用的可穿戴设备和医疗设备带来了特殊的挑战。由于人体对射频信号有限制,所以设计师应该考虑天线的辐射方式,并确保天线的放置方式不受人体的干扰。

可穿戴设备可以小到50mm甚至更小。其中一些可能使用不止一个天线!

在小型器件中,影响天线性能的因素有几个,本文将依次讨论这些因素。第一个也是最重要的是接地面,它在很多情况下对天线辐射是必不可少的。但这并不是全部,设计师应该正确放置天线,并考虑其他组件和这些相对于天线的位置,以确保没有噪声或金属在天线的路径。最后,设备的外壳可以有所不同,我们将概述主要材料避免。

嵌入式天线-它们是如何工作的

偶极子天线使用两个散热器工作,但嵌入式芯片天线只有一个。对于嵌入式天线,PCB的表面成为第二个散热器。这解释了为什么,如果PCB的长度太短,天线将不能有效地工作。

天线的共振与其波长直接相关。天线必须在波长的整数倍或分数处共振,最短的共振长度为波长的四分之一。

916MHz频率的全波天线大约需要327mm长,这对于嵌入式天线是不实用的,但是四分之一波版本在87.2mm的地面长度是实用的。这将被盘绕在隐藏在微小表面芯片天线内的铜痕迹和层上。

天线设计者通过使用接地面作为半波偶极子缺失的一半来绕过这个限制,所以1 / 4波单极子天线对着接地面辐射。因此,小型无线设备中最流行的嵌入式天线往往是四分之一波单极天线。

地平面的长度

为了使嵌入式天线有效工作,在天线的最低频率下,接地面必须至少是天线的四分之一波长。因此,在较低的频率下,当接地面为100mm或更大时,设计将容易得多。

嵌入式天线的性能与其接地面的长度直接相关,所以对较小的设计来说,允许正确的接地面长度是最大的挑战。万博投注网址

图1显示了从左侧的794 MHz到右侧的2.69 GHz,地面长度和天线效率之间的权衡。

图1所示。(来源:Antenova有限公司)

这些结果清楚地表明,在频率低于1GHz的小地面上,天线效率是如何下降的。这些结果适用于工作频率为791-960MHz、1710-2170MHz、2300-1400MHz和2500-2969MHz的3G/4G芯片天线。

一般来说,对于使用1GHz以下频率的设备,接地面需要100mm或更多。在美国,4G频率使用频带低至698MHz甚至617MHz,而T Mobile的B71频带需要的接地面甚至超过100mm。

在PCB上定位天线

接下来,我们应该考虑天线在PCB上的位置,以及它与其他组件的位置。天线应放置在整体射频布局和PCB堆叠的最佳位置,以使其有效辐射。

每个单独的天线被设计成在PCB上的几个地方有效工作。这通常是角落或边缘,然而每个天线是不同的,所以选择一个适合设计的天线,并根据制造商的建议放置它是很重要的。

图2显示了如何将天线及其间隙区域放置在小型设备中,如可穿戴产品或手表。

图2。(来源:Antenova有限公司)

图3显示了一个合适的天线放置手表设计。该设计保持了该天线上下指定的推荐间隙,用红色表示。

图3。(来源:Antenova有限公司)

请勿将有噪声的部件(如电池或液晶显示器)放置在靠近天线部分的地方。天线是一种无源组件,它接收能量,并接收噪声组件发出的噪声,并将这些噪声传输给无线电,从而降低接收到的信号。天线也应远离人体,以提高射频性能,这是上图3中蓝色标记的距离。

射频馈电的布置和接地连接对天线的功能至关重要。在小型PCB中嵌入小型天线,蚀刻在PCB上的铜轨道可能会形成天线的一个组成部分,因此应注意遵循制造商的规范或参考设计。

整体射频布局和PCB堆叠

您可以通过仔细考虑设计中的RF元素的布局来最大化天线的性能。铜接地平面不应用痕量切割或布置在多个层上,然后天线的接地面部分将能够更有效地辐射。

这是必要的保持组件,如LCD或电池的天线区域的PCB布局,因为这些可以干扰的方式,天线将辐射。

对于多频带频率,我们建议PCB布局至少有四层。

图4显示了顶层和底层如何提供接地面,而数字信号和电源需要远离接地面,运行在它们之间的空间。

图4.(来源:Antenova Ltd)

调整天线的性能

对于那些接地面比理想的短的情况,设计师可以考虑其他技术来提高嵌入式天线的性能。

一种方法是调整天线的运行国家。4G的频率范围很广,从698MHz到2690MHz,但是世界上每个不同的地区只使用了这个频段的一部分,而且一个天线一次只能在一个频率上工作。这意味着,当一个产品要在一个地理区域使用时,它可以调整为在一个更窄的频段内运行。这将提高天线的性能。

另一种技术是包括一个主动调谐网络,有效地增加一个射频开关电路,这将有助于克服由于主机PCB小于75mm的较小地面造成的带宽减少。在天线馈电点附近增加PI匹配电路,对天线进行微调,提高性能。匹配电路的设计通常需要射频专家的帮助。

图5显示了天线评估板上的匹配电路。

图5。(来源:Antenova有限公司)

输电线路设计

一旦选择了PCB的材料,并且已知其厚度和介电常数,就可以使用商业上可用的射频轨迹设计软件包来设计共面传输线。这将使用PCB厚度,铜层分离和衬底介电常数来计算传输线的最佳宽度和两侧的适当间隙,以实现共面传输线50 Ω。

所有传输线的特性阻抗应设计为50Ω,射频系统的其他部分,如收发机或功率放大器的阻抗也应设计为50Ω。

天线公司提供免费的射频传输线计算器帮助设计师确定输电线尺寸的工具。

其他因素

可能有一个以上的天线,在同一个PCB上以不同的频率工作,但放置在很近的地方。如果天线是一个只接收系统,如GPS接收器,它可以被附近的发射天线,如4G无线电,降低GPS系统的准确性。必须注意通过天线之间的物理距离来分离这些天线系统——确保天线彼此正交——或者通过在接地上开槽来消除天线之间共享的接地电流。

在多输入多输出(MIMO)系统中,设计将需要多个天线,这些天线应该放置在一个相对于另一个,以便它们可以共存。这样它们就能匹配到相同的频率。天线的放置必须确保隔离和互相关在可接受的范围内。如上所述,必须注意通过天线之间的物理距离来分隔设备中的天线,确保天线彼此正交,或者通过在天线之间开槽地平面来消除天线之间共享的接地电流。

图6显示了多样性的接近性配置。

图6。(来源:Antenova有限公司)

图7显示了多样性的相反配置。

图7。(来源:Antenova有限公司)

外壳不应包含靠近天线的金属,但某些金属化涂层是可以接受的,因为它们不能有效地传导能量。天线附近的金属物体会使天线的频率降低。它还可以减少天线设计用于工作的带宽。天线附近的金属物体的另一个问题是,金属物体在放置金属的方向上阻挡了信号,降低了整体辐射模式,并可能导致信号退化到与基站失去连接。

结论

如果产品设计包括天线,特别是如果它使用一个小的PCB,我们建议先选择天线,并把它先放在PCB上。这方面更容易做到这一点,而不是将天线插入到另外成品的设计中。首先思考天线通常是实现RF元素的设计的最快方法。

这将增加该设备获得网络批准的机会。如果要获得批准,天线需要有效地运行,而且规定很严格。然而,AT&T确实考虑了小于107mm的设备,并降低了这些小型设备的效率阈值。

- Geoff Schulteis, Antenova Ltd.高级天线应用工程师

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