PCB模块化设计15——RF接口模块PCB布局布线设计规范

在硬件设计中，天线设计是比较有讲究，常用的低成本设计方式是PCB板载天线设计方式，但PCB板载天线在实际中应该如何设计，才能达到很好的收发效果呢？以下讲解射频天线设计指南。

1.天线设计指南

天线设计和射频布局对于在自由空间中传输和接收电磁辐射的无线系统至关重要。终端客户从具有限流电源（如纽扣电池）的RF产品中获得的无线范围在很大程度上取决于天线设计，外壳和良好的PCB布局。

对于使用相同硅和相同功率
但具有不同布局和天线设计实践的设计，RF范围的变化很大并不罕见。本应用笔记介绍了最佳实践，布局指南和天线调谐程序，以获得具有给定功率的最宽范围。其他重要的还探讨了RF走线，电源去耦，通孔，PCB叠层以及天线和接地的一般布局考虑因素。详细介绍了射频无源器件的选择，如电感器和电容器等等。
图1显示了无线系统的关键组件，包括发射器（TX）和接收器（RX）。
图1.典型的短程无线系统

精心设计的天线可确保无线产品的最佳工作距离。它可以从无线电传输的功率越大，它对于给定的分组错误率（PER）和接收器灵敏度所能覆盖的距离就越大。
类似地，接收器测的调谐良好的无线电可以在天线处发生最小的辐射。
确保来自无线电的大部分功率到达天线则需要正确设计RF 布局和无线电匹配网络，反之亦然。

2.天线基础知识

天线基本上是在空气中暴露的导体。如果导体的长度是信号1的波长的特定比率或倍数，则它变成天线。这种情况称为“共振”，因为馈送到天线的电能被辐射到了自由空间。
图2.偶极天线基本

通过称为“天线馈电”的传输线将天线馈送到其中心点。在这个长度上，电压和电流驻波在导体的整个长度上形成，如图2所示。
输入到天线的电能以该频率的电磁辐射的形式辐射到自由空间。天线由阻抗为50Ω的天线馈电馈电，并传输到自由空间，其阻抗为377Ω2 。

因此，天线几何形状有两个最重要的考虑因素：
1.天线长度
2.天线馈电
图2中所示的1/ 2长度天线称为偶极天线。
但是，PCB设计中的大多数天线
都是通过以特定方式使用的1/4长度导体，这样电路板可实现相同的性能。
参见图3. 通过在导体下方一定距离处接地，可以创建相同长度的图像（1/ 4）。
当合并，这些腿工作就像一个偶极天线。这种类型的天线称为四分之一波（1/ 4）单极天线。
PCB上的大多数天线在铜接地平面上实现为四分之一波长天线。
请注意，信号现在是单端馈电的，接地层充当返回路径。

图3.四分之一波天线

对于大多数PCB中使用的四分之一波长天线，重要的考虑因素是：

1.天线长度
2.天线馈电
3.接地平面的形状和尺寸以及返回路径

3.天线类型

如上一节所述，任何长度为1/ 4的导体在自由空间中暴露，在地平面上有适当的导线可以是有效的天线。
根据波长，天线可以与汽车的FM天线或信标上的微小迹线一样长。
对于2.4-GHz应用，大多数PCB天线分为以下
几种类型：
1.线天线：这是一条在自由空间中在PCB上延伸的导线，其长度在地平面上与1/ 4相匹配。这通常是通过一个50-Ω馈送形成的。
2. PCB天线：这是在PCB上绘制的走线。
这可以是直线走线，倒F型走线，曲折走线，圆形走线或具有摆动的曲线，具体取决于天线类型和空间限制。
在PCB 天线中，天线在PCB 的同一平面内变成二维（2D）结构; 请参见图5. 。在设计时必须遵循相关准则
因为在自由空间中暴露的3D天线作为2D PCB走线被带到PCB平面。PCB天线需要更多的PCB面积，这样的效率是低于导线天线的，但是很便宜。它具有易于制造的特性，并且具有BLE应用可接受的无线范围。

3.芯片天线：这是一种小型IC的天线，内部有导体。
当制作PCB天线或支持3D线天线的空间有限时，这非常有用。
有关包含芯片天线的蓝牙模块，请参见图6 。
下面给出了天线和模块的尺寸与1美分硬币的比较。图6.带有芯片天线的赛普拉斯EZ BLE模块（10 mm×10 mm）

赛普拉斯EZ BLE模块（10 mm×10 mm），它也是属于带芯片天线的一种模块。
4.传输线。因为它的尺寸和三维曝光，于是线天线提供最佳性能和射频范围。而导线可以是直线、螺旋或环。这是一种三维（3D）结构，天线在PCB平面上方4-5 mm的高度或者突出到自由空间。
图4：线天线

5. 知识分享

链接: 射频 RF电路设计及布局
链接: 射频接口模块的分类及布局布线技巧