Cadence教程分享PCB射頻天線設計和版圖創(chuàng)建技巧

本文要點

射頻天線有多種形式，從集成在芯片中的扁平天線，到直接印制在 PCB 上的銅質(zhì)天線。

創(chuàng)建帶有一個或多個天線的版圖時，需要確保在 PCB不同電路模塊之間彼此隔離。

在設計一個射頻天線時，應該使用 CAD 工具，此類工具可以幫助設計隔離結(jié)構(gòu)、過渡結(jié)構(gòu)，甚至可以為 PCB 設計印制天線。

如今，很難想象有哪種消費電子產(chǎn)品不包含天線，甚至連車庫門開啟器也可以通過藍牙或 WiFi 與手機相連。每當有新的射頻天線添加到 PCB 版圖中，都會給射頻設計師帶來新的難題，特別是當前的設計又開始重視起模擬設計技能。隨著諸多射頻功能被添加到新的 PCB 上，設計師該如何確保系統(tǒng)中的信號不被破壞，并保持信號完整性呢？

一些簡單的設計選擇可以確保射頻信號不被附近的數(shù)字元器件所削弱，同時也將有助于防止多個模擬信號之間發(fā)生相互干擾。雖然在設計混合信號或全射頻系統(tǒng)時，需要考慮很多射頻設計方面的問題，但天線設計和版圖可能是最重要的兩個方面。下面我們了解一下 PCB 版圖中的射頻天線設計以及如何確保模擬信號完整性。

射頻天線設計基礎(chǔ)知識

在設計定制天線或選擇 COTS 天線用于射頻 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特性，在設計階段應予以考慮。每根天線都需要具備以下元件：

浮動的導電輻射器：用于發(fā)出輻射的天線單元。

參考平面：天線的參考平面或單元有助于確定天線結(jié)構(gòu)在每種天線模式中的方向性。

饋線：饋線用于將輸入信號從射頻元件輸送到輻射天線單元中。

阻抗匹配網(wǎng)絡：天線通常具有約 10 歐姆的阻抗，因此需要與饋線阻抗相匹配，以防止反射并確保在所需的載波頻率和帶寬下實現(xiàn)最大功率傳輸。

許多標準的天線設計已經(jīng)得到充分研究。我們可以在網(wǎng)上找到許多參考設計，然后可以將其復制到自己的 PCB 版圖中。我們還可以在微波工程教科書中找到許多標準天線結(jié)構(gòu)的設計公式。最后，如果想使用 COTS 射頻天線，可以在市場上找到許多價格低廉的設計。無論選擇使用哪種射頻天線，都需要在版圖中仔細放置，以防止電路板各個部位之間發(fā)生干擾。

射頻天線版圖技巧

設計好天線之后，需要判斷應該把它放在 PCB 上的什么位置。射頻設計師可從混合信號設計師那里獲得一些技巧（大多數(shù)射頻電路板實際上是混合信號電路板），以防止射頻前端、后端和數(shù)字部分之間出現(xiàn)干擾。

高效輻射：旨在確保來自天線單元的輻射離開電路板，而不被 PCB 版圖中的其他結(jié)構(gòu)所接收。

隔離：同樣，我們也不希望 PCB 版圖中的多個部分直接發(fā)生相互干擾。

電磁兼容性 （EMC）：最后，需要確保版圖不會接收來自其他設備的信號，這些設備可能在廣泛的頻率范圍內(nèi)發(fā)射信號。

在 PCB 的實際設計中，大多數(shù)設計目標都是相互競爭的，但有兩個要點需要遵循，這將有助于平衡這些設計目標。

在 PCB 版圖中讓電路模塊彼此分開

這是一個基本的混合信號 PCB 設計要點，也同樣適用于射頻天線的版圖。需要將天線部分放置在電路板上，并與其他電路模塊分開。一般來說，最好是將天線部分放在靠近電路板邊緣的位置，并遠離其他模擬元件。這樣可以將強輻射限制在電路板上的一個位置，并確保各個部分之間的干擾最小。

網(wǎng)格化的挑戰(zhàn)在于確保不同部分的回流路徑不會相互干擾，否則將導致噪聲耦合和串擾。使用集成在先進 PCB 設計工具中的場求解器，將有助于在創(chuàng)建版圖時發(fā)現(xiàn)回流路徑的偏差。對于高頻設計，要采用連續(xù)的接地平面結(jié)構(gòu)，以確保一致的回流路徑。

隔離天線部分

現(xiàn)代手機和高速數(shù)據(jù)網(wǎng)絡設備采用了創(chuàng)造性的隔離結(jié)構(gòu)，這已成為射頻隔離技術(shù)的黃金標準。很簡單，隔離就是在電路板上的射頻敏感元件周圍放置一些屏蔽物，以阻止發(fā)射器和接收器之間的電波傳播。下面的表格中介紹了可以用于射頻天線部分的一些結(jié)構(gòu)，以隔離元件、饋線和天線，或隔離外部噪聲源。

隔離結(jié)構(gòu)通常放置在射頻元件之間，以阻止它們之間的噪聲耦合和功率交換。確定使用哪種隔離結(jié)構(gòu)來確保射頻天線信號的完整性，是一個復雜的設計問題，業(yè)界對此已經(jīng)進行了深入的研究。如果我們不是橢圓積分方面的專家，就需要依靠電磁 （EM） 場求解器來確定這些結(jié)構(gòu)如何影響?zhàn)伨€/射頻天線的阻抗，以及這些結(jié)構(gòu)提供的隔離水平。

如果使用電磁場求解器，就可以使用近場和遠場仿真來確定 PCB 版圖中出現(xiàn)強輻射的區(qū)域。一旦確定了這些區(qū)域以及發(fā)射的頻率，將有助于確定應該使用哪種類型的隔離策略。最好是直接使用頻域（FDFD 方法），而不是使用傅里葉變換來轉(zhuǎn)換 FDTD 結(jié)果。

射頻天線設計和版圖創(chuàng)建需要格外注意細節(jié)，因此多加謹慎是有意義的，從而確保射頻設計的隔離和信號完整性。