技術(shù)資訊 I PCB 射頻天線設(shè)計(jì)和版圖創(chuàng)建技巧

本文要點(diǎn)

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(gè)或多個(gè)天線的版圖時(shí)，需要確保在 PCB不同電路模塊之間彼此隔離。

在設(shè)計(jì)一個(gè)射頻天線時(shí)，應(yīng)該使用 CAD 工具，此類工具可以幫助設(shè)計(jì)隔離結(jié)構(gòu)、過(guò)渡結(jié)構(gòu)，甚至可以為 PCB 設(shè)計(jì)印制天線。

如今，很難想象有哪種消費(fèi)電子產(chǎn)品不包含天線，甚至連車庫(kù)門開(kāi)啟器也可以通過(guò)藍(lán)牙或 WiFi 與手機(jī)相連。每當(dāng)有新的射頻天線添加到 PCB 版圖中，都會(huì)給射頻設(shè)計(jì)師帶來(lái)新的難題，特別是當(dāng)前的設(shè)計(jì)又開(kāi)始重視起模擬設(shè)計(jì)技能。隨著諸多射頻功能被添加到新的 PCB 上，設(shè)計(jì)師該如何確保系統(tǒng)中的信號(hào)不被破壞，并保持信號(hào)完整性呢？

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

射頻天線設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)

在設(shè)計(jì)定制天線或選擇 COTS 天線用于射頻 PCB 時(shí)，需要遵循幾個(gè)基本要點(diǎn)。所有射頻天線都有一些特殊的特性，在設(shè)計(jì)階段應(yīng)予以考慮。每根天線都需要具備以下元件：

浮動(dòng)的導(dǎo)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(hào)從射頻元件輸送到輻射天線單元中。

阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)：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(shí)現(xiàn)最大功率傳輸。

圖中的SMA 連接器與射頻天線之間具有同軸連接。

許多標(biāo)準(zhǔn)的天線設(shè)計(jì)已經(jīng)得到充分研究。我們可以在網(wǎng)上找到許多參考設(shè)計(jì)，然后可以將其復(fù)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(biāo)準(zhǔn)天線結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)公式。最后，如果想使用 COTS 射頻天線，可以在市場(chǎng)上找到許多價(jià)格低廉的設(shè)計(jì)。無(wú)論選擇使用哪種射頻天線，都需要在版圖中仔細(xì)放置，以防止電路板各個(gè)部位之間發(fā)生干擾。

射頻天線版圖技巧

設(shè)計(jì)好天線之后，需要判斷應(yīng)該把它放在 PCB 上的什么位置。射頻設(shè)計(jì)師可從混合信號(hào)設(shè)計(jì)師那里獲得一些技巧（大多數(shù)射頻電路板實(shí)際上是混合信號(hào)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(lái)自天線單元的輻射離開(kāi)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(gè)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(huì)接收來(lái)自其他設(shè)備的信號(hào)，這些設(shè)備可能在廣泛的頻率范圍內(nèi)發(fā)射信號(hào)。

在 PCB 的實(shí)際設(shè)計(jì)中，大多數(shù)設(shè)計(jì)目標(biāo)都是相互競(jìng)爭(zhēng)的，但有兩個(gè)要點(diǎn)需要遵循，這將有助于平衡這些設(shè)計(jì)目標(biāo)。

在 PCB 版圖中讓電路模塊彼此分開(kāi)

這是一個(gè)基本的混合信號(hào) PCB 設(shè)計(jì)要點(diǎn)，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(kāi)。一般來(lái)說(shuō)，最好是將天線部分放在靠近電路板邊緣的位置，并遠(yuǎn)離其他模擬元件。這樣可以將強(qiáng)輻射限制在電路板上的一個(gè)位置，并確保各個(gè)部分之間的干擾最小。

PCB 上的網(wǎng)格化系統(tǒng)版圖

網(wǎng)格化的挑戰(zhàn)在于確保不同部分的回流路徑不會(huì)相互干擾，否則將導(dǎo)致噪聲耦合和串?dāng)_。使用集成在先進(jìn) PCB 設(shè)計(jì)工具中的場(chǎng)求解器，將有助于在創(chuàng)建版圖時(shí)發(fā)現(xiàn)回流路徑的偏差。對(duì)于高頻設(shè)計(jì)，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(jī)和高速數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)設(shè)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(biāo)準(zhǔn)。很簡(jiǎn)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(lái)確保射頻天線信號(hào)的完整性，是一個(gè)復(fù)雜的設(shè)計(jì)問(wèn)題，業(yè)界對(duì)此已經(jīng)進(jìn)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(chǎng)求解器來(lái)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(chǎng)求解器，就可以使用近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)仿真來(lái)確定 PCB 版圖中出現(xiàn)強(qiáng)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(yīng)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(lái)轉(zhuǎn)換 FDTD 結(jié)果。

射頻天線設(shè)計(jì)和版圖創(chuàng)建需要格外注意細(xì)節(jié)，因此多加謹(jǐn)慎是有意義的，從而確保射頻設(shè)計(jì)的隔離和信號(hào)完整性。

想要實(shí)現(xiàn)射頻天線版圖創(chuàng)建和信號(hào)完整性分析的一體化設(shè)計(jì)嗎？

Cadence去年推出的AWR Design Environment新版本V16具有跨平臺(tái)的工作流程，支持基于 Virtuoso（芯片）和 Allegro（PCB/封裝）平臺(tái)的射頻到毫米波設(shè)計(jì)，并與系統(tǒng)級(jí)分析解決方案 Clarity 3D Solver 和 Celsius Thermal Solver 集成。

新版 AWR Design Environment，包括 Microwave Office 電路設(shè)計(jì)軟件，使客戶能夠?yàn)槠?、雷達(dá)系統(tǒng)、5G 等應(yīng)用設(shè)計(jì)互聯(lián)系統(tǒng)。與同類競(jìng)品的工作流程相比，AWR緊密集成的平臺(tái)可以將周轉(zhuǎn)時(shí)間加速高達(dá) 50%，其射頻集成水平在業(yè)內(nèi)也是首屈一指。