天線設(shè)計指南：打造高效無線通訊的關(guān)鍵要素

設(shè)計和優(yōu)化天線并非易事。如果要設(shè)計工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)天線，可以使用參考設(shè)計作為起點。問題是，如果將其應(yīng)用到最終產(chǎn)品設(shè)計，能通過改變什么參數(shù)來優(yōu)化設(shè)計呢？

人們可能認(rèn)為，對經(jīng)驗豐富的設(shè)計師來說，設(shè)計和優(yōu)化天線可能會很容易。畢竟，他們已是專家，并在工作過程中，目睹過或親自經(jīng)歷過不少失敗，并吸取過不少經(jīng)驗教訓(xùn)。然而，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)一直在快速升級，年輕的設(shè)計師根本沒有犯錯的經(jīng)驗，而且還要求他們在更短的時間內(nèi)設(shè)計產(chǎn)品上市，并保證設(shè)計“一次成功”，這如何實現(xiàn)呢？解決方案是利用EDA軟件！因為在一定程度上，電子設(shè)計是可以利用軟件自動實現(xiàn)的。

本文討論一款工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品的藍(lán)牙天線設(shè)計，設(shè)計目標(biāo)是將藍(lán)牙天線集成到無顯示器的產(chǎn)品中，并利用智能手機(jī)上的應(yīng)用程序來實現(xiàn)對設(shè)備的各種配置。實際上這也是一項常用設(shè)計，設(shè)計概念同樣適用于其他各類不同產(chǎn)品。

通過網(wǎng)上搜索，找到了Cypress半導(dǎo)體的一款藍(lán)牙天線參考設(shè)計。不過其說明書中已注明，該設(shè)計僅供參考，并不能用作實際產(chǎn)品模塊設(shè)計。因為它只是為實驗室工作而設(shè)計的，目的是為軟件工程師搭建開發(fā)平臺，使他們在PCB設(shè)計出來之前，就能夠同步進(jìn)行軟件開發(fā)。

由于原理圖、BOM和PCB布局等設(shè)計數(shù)據(jù)，均以Cadence Allegro格式提供，因此可將其作為優(yōu)化的起點。不過該參考設(shè)計在實驗室中用的是大連接器。

故該設(shè)計有兩個目標(biāo)，分別是天線小型化和天線性能優(yōu)化。當(dāng)利用剛?cè)酨CB來替代大連接器時，可以實現(xiàn)天線結(jié)構(gòu)的小型化。但這會對天線性能產(chǎn)生什么影響呢？對此進(jìn)行了一系列“假設(shè)”分析，以了解這些變化的影響，并提出實現(xiàn)這兩個目標(biāo)的正確策略。

微波設(shè)計數(shù)據(jù)的導(dǎo)入和設(shè)置非常簡單。端口是以自動方式設(shè)置的，設(shè)計師必須輸入一些用于網(wǎng)表的參數(shù)。另外，還輸入了所選PCB的實際材料值，包括合適的厚度和介電常數(shù)值（FR-4：標(biāo)準(zhǔn)Isola 370HR，εr=4，0）。

在初次分析中，重點研究了折式倒置型F天線的長度、以及芯片和天線之間的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)。

根據(jù)2.45GHz設(shè)計頻率上的天線回波損耗，通過各種天線長度的組合掃頻分析，得出了天線最佳長度。

圖1：不同天線長度的回波損耗。（來源：Cadence AWR微波設(shè)計平臺）

通過多重分析，并結(jié)合元件庫中可用的離散元器件，再結(jié)合所選用的PCB材料的參數(shù)值，重新進(jìn)行了自動掃頻分析，結(jié)果顯示，阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的性能得到了提高。不難發(fā)現(xiàn)，僅僅通過上述這些分析改進(jìn)，天線性能就提升了2dB。不過，此時還沒有考慮小型化。

圖2：阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的自動優(yōu)化。

由于天線設(shè)計中需要足夠的接地，故天線小型化的確是一個問題。如果減小外形結(jié)構(gòu)，則PCB上的接地平面將變小。在參考設(shè)計中，接地系統(tǒng)是由兩個平面、幾個過孔和連接到地的一根外部電纜共同組成的。

通過對安裝天線和電路的一小塊PCB進(jìn)行分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，剛性區(qū)域的接地不足，天線性能達(dá)不到預(yù)期指標(biāo)，因此需要在PCB的柔性部分提供額外的接地區(qū)域。如果將其作為柔性零件上的實體平面，則會非常容易且快速地完成仿真。但是，如果為了在不切斷銅箔的情況下實現(xiàn)折彎而采用影線結(jié)構(gòu)，則網(wǎng)格大小和仿真時間都將大幅增加。

但是，通過各種平面形狀和尺寸的比較表明，可以在不增加誤差的情況下，簡化“假設(shè)”分析結(jié)構(gòu)，不過，最終仿真時應(yīng)該盡可能地精確。

在另一次掃頻分析中，分析了天線塑料外殼與天線之間的最小距離。在該案例中，發(fā)現(xiàn)當(dāng)間距大于10mm后，將不再對天線性能產(chǎn)生影響。

下一個問題是，當(dāng)通過在2D中設(shè)計不同的形狀或在3D中通過折疊和折彎來改變?nèi)嵝圆考男螤顣r，將會產(chǎn)生多大影響？在確定了產(chǎn)品中的安裝位置，并確定了柔性部件的長度和形狀后，下一個問題是如何安裝PCB的剛性部件。

在對螺釘位置的掃頻分析中表明，當(dāng)螺釘安裝在最佳機(jī)械位置時，也對天線性能產(chǎn)生了非常大的影響。為了尋找合適的替代安裝方式，首選卡扣式解決方案。這將需要對PCB進(jìn)行切割。

圖3：改進(jìn)PCB形狀后的電流密度分布。

通過PCB中電流密度的可視化顯示，當(dāng)各角或安裝孔為90°切口時，則在各角處的電流較大，這將導(dǎo)致EMI問題。為了最大限度地減少EMI，還需要再進(jìn)行一些優(yōu)化更改。

最終結(jié)果是，將天線尺寸減小到了參考設(shè)計原始尺寸的53%，不僅帶寬更寬，還將PCB天線性能提高了6dB。

由此得出的結(jié)論是，當(dāng)對天線進(jìn)行小型化時，天線設(shè)計就變得非常嚴(yán)苛，此時必須注意機(jī)械安裝方面的各種限制，如安裝孔、間距和外殼材料以及EMI問題。最后，設(shè)計應(yīng)該是“一次成功”，與重新設(shè)計一個額外的原型相比，上市時間更短。

從設(shè)計到測量驗證的協(xié)作實現(xiàn)

Nordcad與FlowCAD共同設(shè)計了一個最先進(jìn)的天線放大器和一個倒置型F天線模塊。原理圖輸入和PCB布局由Cadence的Allegro PCB Designer完成。

圖4：為了對PCB設(shè)計數(shù)據(jù)進(jìn)行RF仿真，設(shè)計師們將所有部件（包括天線放大器、天線設(shè)計和阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)）都加載到了Cadence的AWR微波設(shè)計平臺上。

通過對組件經(jīng)過優(yōu)化，最終實現(xiàn)了阻抗匹配。利用R&S的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對實體設(shè)計進(jìn)行了測量，并與仿真結(jié)果進(jìn)行了比較。

這一專業(yè)協(xié)作和團(tuán)隊合作的例子證明，理論、仿真和測量之間的相互協(xié)作非常好，能夠?qū)崿F(xiàn)高效和可預(yù)測的射頻設(shè)計。

審核編輯：黃飛