對小型無線設(shè)備的需求正在增加,這些設(shè)備將用于可穿戴、醫(yī)療設(shè)備和追蹤器等消費應(yīng)用程序,以及照明、安保和建筑管理等工業(yè)應(yīng)用程序。因此,較小的電子設(shè)備將需要較小的PCB,這意味著天線必須與較短的地面平面一起工作,如果它們是電池操作的,功率也是一個因素--因為該設(shè)備不能耗電過多。
這對產(chǎn)品設(shè)計師來說是一個相當(dāng)大的挑戰(zhàn).最終的設(shè)計需要提交正式的網(wǎng)絡(luò)和政府批準(zhǔn),才能在載波網(wǎng)絡(luò)上使用新產(chǎn)品,如果天線不能正常工作,或者如果設(shè)備通過從設(shè)備中再輻射噪音造成無線電干擾,那么設(shè)計就可能失敗。因此,對于一個較小的產(chǎn)品,要獲得運營商的認(rèn)可就更加困難了,因為要實現(xiàn)足夠好的無線性能來通過傳輸和獲得最低水平是更困難的。設(shè)計必須符合嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)才能獲得網(wǎng)絡(luò)認(rèn)可。
事實上,電小型天線要在頻率低于1ghz的情況下運行,它們理想的情況是需要100mm或更多的地面長度,以實現(xiàn)良好的性能和效率。如果天線的效率降低,將會引起耗電問題,并使成品獲得網(wǎng)絡(luò)認(rèn)可。這意味著,產(chǎn)品設(shè)計師面臨的挑戰(zhàn)是創(chuàng)建一個有足夠空間的天線來正確執(zhí)行的設(shè)計,并且仍然將所有組件都放進(jìn)一個較小的PCB中。
對于頻率低于1ghz的天線來說尤其如此,這些天線通常用于諸如iot設(shè)備、產(chǎn)品追蹤器、健身設(shè)備和其他類似的小型設(shè)備等產(chǎn)品。
在人體附近使用的可穿戴設(shè)備和醫(yī)療設(shè)備是一個特殊的挑戰(zhàn)。人體限制射頻信號,所以設(shè)計者應(yīng)考慮天線將如何輻射,并確保天線的放置方式,以使人體不會阻礙信號。
可穿戴的設(shè)備可以小到50mm甚至更少。其中一些可能使用不止一個天線!
影響小型設(shè)備天線性能的因素有幾個,本文將依次討論這些因素。第一個也是最重要的是地面,在許多情況下,地面是天線輻射所必需的。但這并不是全部,設(shè)計者應(yīng)該正確地放置天線,并考慮其他組件和這些組件相對于天線的位置,以確保天線的路徑中沒有噪音或金屬。最后,該裝置的套管可以發(fā)揮作用,我們將概述主要材料避免。
嵌入式天線-如何工作
偶極天線使用兩個散熱器操作,但是嵌入式芯片天線只有一個。對于嵌入式天線,電路板的表面變成第二個散熱器。這就解釋了為什么如果電路板的長度太短,天線就無法有效地工作。
天線的共振與其波長直接相關(guān).天線必須在波長的整數(shù)倍數(shù)或分?jǐn)?shù)上共振,最短共振長度為波長的四分之一。
在316MHZ頻率的全波天線需要大約327mm長,這對嵌入式天線是不實際的,但四分之一波版本是實際的地面平面長度,87毫米。這將通過銅痕跡和隱藏在一個微小的表面安裝的芯片天線層卷起來。
天線設(shè)計者通過使用地面平面作為半波偶極子的缺失的一半來繞過這個限制,所以四分之一波的單極天線會輻射到地面平面上。因此,小型無線設(shè)備中最流行的嵌入式天線往往是四分之一波單極天線。
地面平面長度
為了使嵌入式天線能夠有效工作,地面必須在其最低頻率下至少是天線的四分之一波長。因此,在較低頻率下,當(dāng)?shù)孛嫫矫鏋?00mm或以上時,設(shè)計會容易得多。
嵌入式天線的性能與其地面平面的長度直接相關(guān),因此,允許地面平面圖的正確長度是較小設(shè)計的最大挑戰(zhàn)。
圖1顯示了從左側(cè)794兆赫到右側(cè)2.69千兆赫的地面平面長度和天線效率之間的權(quán)衡。
圖1
這些結(jié)果清楚地顯示了小地面平面在頻率低于1ghz時天線的效率是如何下降的。這些結(jié)果被用于一個3G/4G芯片天線運行在頻率791-960兆赫,1710-2170兆赫,2300-1400兆赫和2500-2969兆赫。
一般來說,使用頻率低于1ghz的設(shè)備,地面需要100mm或更多。在美國,4G頻率使用的頻帶最低可達(dá)698MHZ,甚至像T移動的B71頻帶需要的地面平面甚至超過100毫米。
天線在電路板上定位
接下來,我們應(yīng)該考慮天線在電路板上的位置及其相對于其他部件的位置。天線應(yīng)放置在最好的位置,在整個射頻布局和電路板堆疊,使其有效輻射。
每一個單獨的天線都設(shè)計成在電路板上的幾個地方有效工作。這通常是角或邊,但每一個天線都是不同的,所以根據(jù)制造商對天線的推薦選擇一個適合設(shè)計的天線并放置它是很重要的。
圖2展示了天線如何放置在可穿戴產(chǎn)品或手表等小型設(shè)備的間隙區(qū)域。
圖2
圖3展示了手表設(shè)計中合適的天線位置。該設(shè)計維護(hù)此天線上面和下面指定的推薦間隙,這是紅色顯示。
圖3
不要放置有噪音的部件,例如電池或液晶顯示器,靠近天線部分。天線是接收能量的無源元件,它將接收從噪聲元件中散發(fā)出來的噪聲,并將噪聲轉(zhuǎn)移到無線電,從而降低接收到的信號。天線還應(yīng)該放置在遠(yuǎn)離人體的地方,以提高射頻性能,這是圖3中以藍(lán)色標(biāo)示的距離。
射頻進(jìn)給和接地連接的布置對天線的功能至關(guān)重要。由于小型PCB中有小型嵌入式天線,在PCB上蝕刻的銅軌可能構(gòu)成天線的一個組成部分,因此應(yīng)注意遵守制造商的規(guī)格或參考設(shè)計。
總體射頻布局和PCB儲存
通過在設(shè)計中仔細(xì)考慮射頻元件的布局,您可以最大限度地提高天線的性能。銅地面平面不應(yīng)與痕跡切割或設(shè)置在一個以上的層,那么地面平面部分的天線將能夠更有效地輻射。
在電路板布局中,必須保持液晶或電池等部件遠(yuǎn)離天線區(qū)域,因為它們會干擾天線的輻射方式。
對于多頻帶頻率,我們建議使用至少四層的電路板布局。
圖4顯示了上層和底層是如何提供地面平面的,而需要遠(yuǎn)離地面平面的數(shù)字信號和功率是如何在它們之間的空間運行的。
圖4
為性能調(diào)整天線
對于地面面短于理想的情況,設(shè)計者可以研究其他技術(shù)來提高嵌入式天線的性能。
一種方法是為其運行的國家調(diào)整天線。4G頻率范圍很廣,從698MHZ到2690MHZ不等,但每個不同的世界區(qū)域只使用這條頻帶的一部分,而且天線一次只能在一個頻率上工作。這意味著當(dāng)一個產(chǎn)品要在一個地理區(qū)域使用時,它可以被調(diào)到更窄的頻帶中。這將提高天線的性能。
另一種技術(shù)是包括有源調(diào)諧網(wǎng)絡(luò),這實際上是一個額外的射頻開關(guān)電路,它將有助于克服由一個較小的地面造成的帶寬減少,而該地面上的主電路板小于75mm。在天線送出點附近增加了圓周線匹配電路,以微調(diào)天線,提高性能。匹配電路的設(shè)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。
圖5
設(shè)計輸電線路
一旦選擇了PCB的材料,并知道其厚度和介電常數(shù),就可以利用商業(yè)上可用的射頻跟蹤設(shè)計軟件包設(shè)計出共平面?zhèn)鬏斁€。這將利用電路板厚度、銅層分離和襯底介電常數(shù)來計算輸電線路的最佳寬度和兩側(cè)適當(dāng)?shù)拈g隙,以實現(xiàn)共平面輸電線路50微米。
所有的傳輸線路都應(yīng)該設(shè)計成具有50歐的特性阻抗,而射頻系統(tǒng)的其他部分,如收發(fā)器或功率放大器也應(yīng)該設(shè)計為50歐的阻抗。
其他因素
可能有一個以上的天線,在同一電路板的不同頻率上工作,但放置在很近的地方。如果天線只是接收系統(tǒng),例如全球定位系統(tǒng)接收器,那么附近的發(fā)射天線,例如4G無線電可以使全球定位系統(tǒng)的精度降低。必須注意通過天線之間的物理距離來分離這些天線系統(tǒng)--確保天線是相互正交的--或者通過割取地面平面來移除天線之間共有的地面電流。
在多輸入、多輸出(MIMO)系統(tǒng)中,設(shè)計將需要多個天線,這些天線應(yīng)與另一個天線相對放置,以便它們能夠共存。它們可以匹配到相同的頻率。必須放置天線,以確保隔離和交叉相關(guān)在可接受的限度內(nèi)。如上所述,必須謹(jǐn)慎地通過天線之間的物理距離將設(shè)備中的天線分開,確保天線之間的正交,或通過在天線之間割取地面平面,以去除天線之間共享的地面電流。
圖6顯示了多樣性的鄰近配置。
圖6
圖7顯示了反對多樣性的配置。
圖7
外殼不應(yīng)含有靠近天線的金屬,但某些金屬化涂層是可以接受的,因為它們不能有效地導(dǎo)電。靠近天線的金屬物體會使天線的頻率變低。它還可以減少天線設(shè)計用來操作的帶寬。天線附近的金屬物體的另一個問題是,金屬物體將信號擋在金屬放置的方向上,從而減少了整個輻射模式,并可能造成信號退化,從而失去與基站的連接。
結(jié)論
如果產(chǎn)品設(shè)計要包括一個天線,特別是如果它使用的是一個小的電路板,我們將建議首先選擇天線,并將此首先放在電路板。這樣做比把天線插進(jìn)其他設(shè)計中要容易得多。首先考慮天線通常是最快的方法來實現(xiàn)一個設(shè)計,在那里射頻元件執(zhí)行它應(yīng)該。
這將增加設(shè)備獲得網(wǎng)絡(luò)認(rèn)可的機(jī)會。如果要獲得批準(zhǔn),天線需要有效地工作,而且規(guī)則很嚴(yán)格。然而,確實允許使用小于107mm的設(shè)備,并降低了這些小型設(shè)備的效率閾值。
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