By Cadence
本文要點
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射頻天線有多(duō)種形式，從整合在晶片中的(de)扁平天線，到直接印製在 PCB 上的(de)銅質天線。 |
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創建帶有一個或多(duō)個天線的(de)版圖時，需要確保在 PCB 不同電路模組之間彼此隔離。 |
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在設計一個射頻天線時，應該使用(yòng) CAD 工具，此類工具可(kě)以説明(míng)設計隔離結構、過渡結構，甚至可(kě)以為 PCB 設計印製天線。 |
圖中的(de) SMA 連接器與射頻天線之間具有同軸連接。
如今，很難想像有哪種消費電子產品不包含天線，甚至連車庫門開啟器也(yě)可(kě)以透過藍牙或 WiFi 與手機相連。每當有新的(de)射頻天線添加到 PCB 版圖中，都會給射頻設計師帶來新的(de)難題，特別是當前的(de)設計又開始重視起模擬設計技能。隨著諸多(duō)射頻功能被添加到新的(de) PCB 上，設計師該如何確保系統中的(de)信號不被破壞，並保持信號完整性呢(ne)？
一些簡單的(de)設計選擇可(kě)以確保射頻信號不被附近的(de)數位元器件所削弱，同時也(yě)將有助於防止多(duō)個類比信號之間發生相互幹擾。雖然在設計混合信號或全射頻系統時，需要考慮很多(duō)射頻設計方面的(de)問題，但天線設計和(hé)版圖可(kě)能是最重要的(de)兩個方面。下(xià)面我們瞭解一下(xià) PCB 版圖中的(de)射頻天線設計以及如何確保類比信號完整性。
射頻天線設計基礎知識
在設計定制天線或選擇 COTS 天線用(yòng)於射頻 PCB 時，需要遵循幾個基本要點。所有射頻天線都有一些特殊的(de)特性，在設計階段應予以考慮。每根天線都需要具備以下(xià)元件：
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浮動的(de)導電輻射器： |
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用(yòng)於發出輻射的(de)天線單元。 |
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參考平面： |
天線的(de)參考平面或單元有助於確定天線結構在每種天線模式中的(de)方向性。 |
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饋線 (Feedline)： |
饋線用(yòng)於將輸入信號從射頻元件輸送到輻射天線單元中。 |
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阻抗匹配網路： |
天線通(tōng)常具有約 10 歐姆的(de)阻抗，因此需要與饋線阻抗相匹配，以防止反射並確保在所需的(de)載波頻率和(hé)頻寬下(xià)實現最大(dà)功率傳輸。 |
許多(duō)標準的(de)天線設計已經得(de)到充分(fēn)研究。我們可(kě)以在網上找到許多(duō)參考設計，然後可(kě)以將其複製到自己的(de) PCB 版圖中。我們還可(kě)以在微波工程教科書中找到許多(duō)標準天線結構的(de)設計公式。最後，如果想使用(yòng) COTS 射頻天線，可(kě)以在市場上找到許多(duō)價格低廉的(de)設計。無論選擇使用(yòng)哪種射頻天線，都需要在版圖中仔細放置，以防止電路闆各個部位之間發生幹擾。
射頻天線版圖技巧
設計好天線之後，需要判斷應該把它放在 PCB 上的(de)什(shén)麼位置。射頻設計師可(kě)從混合信號設計師那裡獲得(de)一些技巧 (大(dà)多(duō)數射頻電路闆實際上是混合信號電路闆)，以防止射頻前端、後端和(hé)數位部分(fēn)之間出現幹擾。
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高(gāo)效輻射： |
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旨在確保來自天線單元的(de)輻射離開電路闆，而不被 PCB 版圖中的(de)其他(tā)結構所接收。 |
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隔離： |
同樣，我們也(yě)不希望 PCB 版圖中的(de)多(duō)個部分(fēn)直接發生相互幹擾。 |
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電磁相容性 (EMC)： |
最後，需要確保版圖不會接收來自其他(tā)設備的(de)信號，這些設備可(kě)能在廣泛的(de)頻率範圍內發射信號。 |
在 PCB 的(de)實際設計中，大(dà)多(duō)數設計目標都是相互競爭的(de)，但有兩個要點需要遵循，這將有助於平衡這些設計目標。
在 PCB 版圖中讓電路模組彼此分(fēn)開
這是一個基本的(de)混合信號 PCB 設計要點，也(yě)同樣適用(yòng)於射頻天線的(de)版圖。需要將天線部分(fēn)放置在電路闆上，並與其他(tā)電路模組分(fēn)開。一般來說，最好是將天線部分(fēn)放在靠近電路闆邊緣的(de)位置，並遠離其他(tā)模擬元件。這樣可(kě)以將強輻射限制在電路闆上的(de)一個位置，並確保各個部分(fēn)之間的(de)幹擾最小。
PCB 上的(de)網格化(huà)系統版圖
網格化(huà)的(de)挑戰在於確保不同部分(fēn)的(de)回流路徑不會相互幹擾，否則將導緻雜訊耦合和(hé)串擾。使用(yòng)整合在先進 PCB 設計工具中的(de)場求解器，將有助於在創建版圖時發現回流路徑的(de)偏差。對於高(gāo)頻設計，要採用(yòng)連續的(de)接地平面結構，以確保一緻的(de)回流路徑。
隔離天線部分(fēn)
現代手機和(hé)高(gāo)速資料網路設備採用(yòng)了(le)創造性的(de)隔離結構，這已成為射頻隔離技術的(de)黃金標準。很簡單，隔離就是在電路闆上的(de)射頻敏感元件周圍放置一些遮罩物(wù)，以阻止發射器和(hé)接收器之間的(de)電波傳播。下(xià)面的(de)表格中介紹了(le)可(kě)以用(yòng)於射頻天線部分(fēn)的(de)一些結構，以隔離元件、饋線和(hé)天線，或隔離外部噪音(yīn)源。
隔離結構 |
優點 |
缺點 |
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屏蔽 |
隻要結構中的(de)縫隙足夠小，隔離度就很高(gāo)。 |
可(kě)能較為笨重，或者需要定制。 |
過孔柵欄 |
與接地灌銅的(de)效果相似，但佔據的(de)電路闆空間更少。 |
隔離度較低，隻支援窄帶，截止頻率低。 |
接地灌銅 |
用(yòng)於射頻天線饋線，可(kě)創建一個具有高(gāo)隔離度的(de)共面波導。 |
佔用(yòng)電路闆空間，在元件排列密集的(de)小型電路闆上不是很理(lǐ)想。 |
波導佈線 |
具有非常高(gāo)的(de)隔離度，可(kě)以進行模式選擇，以實現特定頻寬的(de)佈線。 |
佔用(yòng)電路闆空間，隻適合用(yòng)於最關鍵的(de)線路。 |
帶隙結構 |
可(kě)以為特定的(de)頻寬提供中到高(gāo)的(de)隔離度。 |
非常適合高(gāo)頻應用(yòng)，佔用(yòng)的(de)電路闆空間較少。 |
隔離結構通(tōng)常放置在射頻元件之間，以阻止它們之間的(de)雜訊耦合和(hé)功率交換。確定使用(yòng)哪種隔離結構來確保射頻天線信號的(de)完整性，是一個複雜的(de)設計問題，業界對此已經進行了(le)深入的(de)研究。如果我們不是橢圓積分(fēn)方面的(de)專家，就需要依靠電磁 (EM) 場求解器來確定這些結構如何影(yǐng)響饋線 / 射頻天線的(de)阻抗，以及這些結構提供的(de)隔離水(shuǐ)準。
如果使用(yòng)電磁場求解器，就可(kě)以使用(yòng)近場和(hé)遠場模擬來確定 PCB 版圖中出現強輻射的(de)區域。一旦確定了(le)這些區域以及發射的(de)頻率，將有助於確定應該使用(yòng)哪種類型的(de)隔離策略。最好是直接使用(yòng)頻域 (FDFD 方法)，而不是使用(yòng)傅立葉 (Fourier) 變換來轉換 FDTD 結果。
射頻天線設計和(hé)版圖創建需要格外注意細節，因此多(duō)加謹慎是有意義的(de)，從而確保射頻設計的(de)隔離和(hé)信號完整性。
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譯文授權轉載出處 (映陽科技協同校閱)
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