将芯片天线集成到PCB中：了解天线匹配

文章：Geoff Schulteis

天线不同于其他组件。它们的行为更难以预测，因为天线在实验室的评估板原型中会以特定的方式运行，然后当它最终集成到一个设备中时，就会表现出不同的行为。这种性能的差异取决于天线周围的其他组件和附近的材料，这些材料可能会吸收天线的信号或使其以不同的方式反射。这意味着在人体吸收信号的时候，设计贴近身体工作的无线设备特别困难，比如健身设备、医疗设备或其他可穿戴电子设备。将天线集成到带有金属外壳的设备中也是一项挑战，因为金属会像树木阻挡阳光照射地面一样遮蔽信号。无线电必须依靠接收反射信号，而反射信号的功率通常要低得多。

我们还应该提到一个天线将在自由空间或测试条件下执行一种方式，并且在嵌入设备中时不同。

如果设计使用嵌入式天线，将在创建设计时，当天线需要与设备中的其他RF组件匹配时，将有一个点，以改进其性能，并确保天线将以正确的频率辐射，并在指定范围内执行。匹配过程并不是很好地理解，并且是创建无线设计的更具挑战性的方面之一。

本文将解释此过程中的步骤。

地面飞机

大多数嵌入式天线被设计成反射到接地面(这被称为互易)，接地面需要有一定的长度以允许天线正确地工作。这可能是PCB设计和布局初期考虑的一个因素，因为设计必须满足天线的接地面要求，并允许它有足够的空间和长度来运行。虽然有些天线可能不需要接地面，但这是选择嵌入式天线时要考虑的一个关键特性。

对于被接地平面所依赖的天线，PCB实际上成为天线的接地部分。这意味着PCB的下层可能影响天线的性能，因此重要的是不要将电池或LCD放置在PCB叠加中的天线附近。

接地平面尺寸还应允许任何用于通信的导线以及为设备供电的电池或电源线。如果使用正确的接地平面尺寸，这将确保设计允许足够的空间，并且连接到设备的电缆和电池对天线的影响较小。

天线效率

天线性能是用效率来衡量的。这是一种现象，当其他物体靠近时，会改变天线辐射的电磁场，导致天线的工作效率降低，可能不像设计中规定的那样。效率考虑的是天线的匹配程度，以传递无线电向天线发送的所有能量，以及天线的轨迹设计如何捕获能量，使其从设备辐射出去。

驻波比(VSWR)

驻波电压比，或驻波比是一个返回损耗的测量，显示有多少能量是通过传输或被反射回传输线，这两者都不利于天线的性能。

VSWR是一个重要的价值和理解，它将有助于建立成功的无线设计。如果在大多数情况下，VSWR可以保持低（至少在2：1和3：1之间），它有助于补偿天线结构的较低效率。低VSWR意味着天线接收更优选的功率。通常认为小于两个的VSWR值以表示匹配的天线。

输电线路

传输线是铜线，它将信号传送到天线。在这个轨迹中，如果设计不当，可能会有一个非常高的电阻，可能会有信号损失，甚至高达50%的能量耦合到地面而不是转移到天线。天线跟踪线的阻抗值为50欧姆，设计中的其他射频元件(如无线电)也应设置为50欧姆。

传递射频能量的传输线是决定无线性能的关键因素。优化不好的传输线会导致无线性能下降多达50%。理想情况下，传输线为天线输送100%的能量，尽管这在现实中很难实现。这部分是由于所使用材料的吸收损失，在轨迹的急剧弯曲和反射能量由于阻抗不匹配。

应计算出轨迹和PCB堆栈的尺寸和长度，以尽可能减小驻波比。

计算天线阻抗的旧方法是使用史密斯图表，该图显示了与频率相关的阻抗的正确值。圆的中心表示一个完美匹配的天线，该天线接收100％的功率，并且外圈表示将所有电力反射回源的最大反射。

图1显示了Smith图表的一个示例。（资料来源：Antenova Ltd）

今天，有软件计算器，为GCPW提供即时结果，基于PCB厚度的计算，铜的厚度和PCB基板的介电常数。PCB的厚度和介电常数都在限制来自天线的回波损耗时起着关键作用。

这里值得一提的是，最终的PCB必须由与设计开发期间使用的相同的材料制造 - 或者差异将改变天线的阻抗值，并且天线可能不会按预期执行。

什么是天线匹配？

天线匹配是调整设计以确保天线(芯片或模块)的阻抗与PCB上的其他射频电路正确对齐的过程。目标是创建一个设计，阻抗尽可能接近50欧姆，创造一个天线性能良好，记住，天线的频率可以移动，如果其他组件在PCB或外壳上引起干扰。

一种方法是在设计中添加一个阻抗匹配电路。天线公司推荐一种pi (TT)匹配电路，可以对天线进行调谐和优化。对于单频带天线，pi匹配电路可以由三个元件(电感和电容)组成，对于多频带天线，可以由多个元件组成。这是一种很有用的方法来调整天线，使其在设计中表现更好，特别是在实际情况下，天线需要在较不理想的位置运行，例如手持，或佩戴在身上。

对于安装在PCB上的嵌入式天线，通常建议使用接地共面波导(GCPW)。这意味着不需要使用过孔连接到PCB底部的组件，这是最好的，因为过孔增加了传输线的损耗或增加了匹配组件的电感，导致不准确的调谐值。

GCPW是计算嵌入式天线跟踪线的传统方法。它显示了最佳高度之间的接地面和组件层，以保持50欧姆系统。

gcpw在顶层被配置成所谓的地面-信号-地面配置。此外，信号被进一步隔离与一个附加的地平面下的信号。

图2显示了一个接地的共面波导截面。（资料来源：Antenova Ltd）

这种配置非常适合高频应用。G-S-G配置提供良好的隔离干扰和一般最小的辐射损失，当设计最佳。

这种安排的另一个优点是它提供设计人员的灵活性。传输线的尺寸和物理布局将定义传输线的特性阻抗。在定制不少于四个维度，设计人员在准确匹配阻抗方面提供了大量选择。

图3显示了共面波导的四个组件。（资料来源：Antenova Ltd）

CPW有四个不同的部分，这些是：1）导电条;2）周围地面平面;3）隔离间隙;4）介电基板层。

设计注意事项

GCPWS需要一致和仔细的设计以按预期运行。与其他类型的传输线一样，它们的尺寸和长度是键。传输线越长，在沿线行进时，信号将越多。因此，重要的是保持线的长度不超过波长的10％，特别是在设计高频应用时。

当使用共面波导时，隔离间隙的宽度沿直线的整个长度保持一致是很重要的。间隙也必须比周围的接地面更小，以避免性能下降。这些间隙的宽度可以改变特性阻抗，因此保持这些线路的均匀性可以防止阻抗不匹配。最后，介质衬底层的厚度应该是导电带宽度的两倍。

图4显示了GCPW的布局。（资料来源：Antenova Ltd）

gcpw是一个很好的选择，当干扰可能，当成本不那么优先，或在超紧凑，微型化设计。万博投注网址虽然它们比微带线等替代品更昂贵，但它们在大多数情况下的性能要强得多。对于较大的应用，同轴电缆可能是一个更好的选择，因为它的成本效益，易于使用，低损耗和避免干扰的能力。然而，在同轴电缆无法使用的小型紧凑系统中，GCPW仍然处于领先地位。

当设计的是一个很小的器件，PCB的尺寸受到限制，其他组件被放置在离天线更近的地方，正确匹配天线就变得更加重要，以确保良好的射频性能。

随着设备小型化的趋势，PCB上的空间问题，接地面，以及其他组件的接近变得更具挑战性。对于较小或较复杂的设计，可以更容易地利用射频专家的服务来万博投注网址帮助天线测试和匹配。

一旦设备开始发送和接收信号，建议在测量辐射功率时，将匹配组件值上下调整一到两个值，以达到尽可能最佳的匹配。做“主动”调谐的原因是在没有测试同轴的情况下，优化无线电和天线之间的跟踪线的阻抗。

Geoff Schulteis是高级天线应用工程师Antenova Ltd.。