如何提高小型PCB移动设备的无线性能

[导读]对小型无线设备的需求正在增加,这些设备将用于可穿戴、医疗设备和追踪器等消费应用程序,以及照明、安保和建筑管理等工业应用程序。因此,较小的电子设备将需要较小的PCB,这意味着天线必须与较短的地面平面一起工作,如果它们是电池操作的,功率也是一个因素--因为该设备不能耗电过多。

对小型无线设备的需求正在增加,这些设备将用于可穿戴、医疗设备和追踪器等消费应用程序,以及照明、安保和建筑管理等工业应用程序。因此,较小的电子设备将需要较小的PCB,这意味着天线必须与较短的地面平面一起工作,如果它们是电池操作的,功率也是一个因素--因为该设备不能耗电过多。

这对产品设计师来说是一个相当大的挑战.最终的设计需要提交正式的网络和政府批准,才能在载波网络上使用新产品,如果天线不能正常工作,或者如果设备通过从设备中再辐射噪音造成无线电干扰,那么设计就可能失败。因此,对于一个较小的产品,要获得运营商的认可就更加困难了,因为要实现足够好的无线性能来通过传输和获得最低水平是更困难的。设计必须符合严格的标准才能获得网络认可。

事实上,电小型天线要在频率低于1ghz的情况下运行,它们理想的情况是需要100mm或更多的地面长度,以实现良好的性能和效率。如果天线的效率降低,将会引起耗电问题,并使成品获得网络认可。这意味着,产品设计师面临的挑战是创建一个有足够空间的天线来正确执行的设计,并且仍然将所有组件都放进一个较小的PCB中。

对于频率低于1ghz的天线来说尤其如此,这些天线通常用于诸如iot设备、产品追踪器、健身设备和其他类似的小型设备等产品。

在人体附近使用的可穿戴设备和医疗设备是一个特殊的挑战。人体限制射频信号,所以设计者应考虑天线将如何辐射,并确保天线的放置方式,以使人体不会阻碍信号。

可穿戴的设备可以小到50mm甚至更少。其中一些可能使用不止一个天线!

影响小型设备天线性能的因素有几个,本文将依次讨论这些因素。第一个也是最重要的是地面,在许多情况下,地面是天线辐射所必需的。但这并不是全部,设计者应该正确地放置天线,并考虑其他组件和这些组件相对于天线的位置,以确保天线的路径中没有噪音或金属。最后,该装置的套管可以发挥作用,我们将概述主要材料避免。

嵌入式天线-如何工作

偶极天线使用两个散热器操作,但是嵌入式芯片天线只有一个。对于嵌入式天线,电路板的表面变成第二个散热器。这就解释了为什么如果电路板的长度太短,天线就无法有效地工作。

天线的共振与其波长直接相关.天线必须在波长的整数倍数或分数上共振,最短共振长度为波长的四分之一。

在316MHZ频率的全波天线需要大约327mm长,这对嵌入式天线是不实际的,但四分之一波版本是实际的地面平面长度,87毫米。这将通过铜痕迹和隐藏在一个微小的表面安装的芯片天线层卷起来。

天线设计者通过使用地面平面作为半波偶极子的缺失的一半来绕过这个限制,所以四分之一波的单极天线会辐射到地面平面上。因此,小型无线设备中最流行的嵌入式天线往往是四分之一波单极天线。

地面平面长度

为了使嵌入式天线能够有效工作,地面必须在其最低频率下至少是天线的四分之一波长。因此,在较低频率下,当地面平面为100mm或以上时,设计会容易得多。

嵌入式天线的性能与其地面平面的长度直接相关,因此,允许地面平面图的正确长度是较小设计的最大挑战。

图1显示了从左侧794兆赫到右侧2.69千兆赫的地面平面长度和天线效率之间的权衡。

图1

这些结果清楚地显示了小地面平面在频率低于1ghz时天线的效率是如何下降的。这些结果被用于一个3G/4G芯片天线运行在频率791-960兆赫,1710-2170兆赫,2300-1400兆赫和2500-2969兆赫。

一般来说,使用频率低于1ghz的设备,地面需要100mm或更多。在美国,4G频率使用的频带最低可达698MHZ,甚至像T移动的B71频带需要的地面平面甚至超过100毫米。

天线在电路板上定位

接下来,我们应该考虑天线在电路板上的位置及其相对于其他部件的位置。天线应放置在最好的位置,在整个射频布局和电路板堆叠,使其有效辐射。

每一个单独的天线都设计成在电路板上的几个地方有效工作。这通常是角或边,但每一个天线都是不同的,所以根据制造商对天线的推荐选择一个适合设计的天线并放置它是很重要的。

图2展示了天线如何放置在可穿戴产品或手表等小型设备的间隙区域。

图2

图3展示了手表设计中合适的天线位置。该设计维护此天线上面和下面指定的推荐间隙,这是红色显示。

图3

不要放置有噪音的部件,例如电池或液晶显示器,靠近天线部分。天线是接收能量的无源元件,它将接收从噪声元件中散发出来的噪声,并将噪声转移到无线电,从而降低接收到的信号。天线还应该放置在远离人体的地方,以提高射频性能,这是图3中以蓝色标示的距离。

射频进给和接地连接的布置对天线的功能至关重要。由于小型PCB中有小型嵌入式天线,在PCB上蚀刻的铜轨可能构成天线的一个组成部分,因此应注意遵守制造商的规格或参考设计。

总体射频布局和PCB储存

通过在设计中仔细考虑射频元件的布局,您可以最大限度地提高天线的性能。铜地面平面不应与痕迹切割或设置在一个以上的层,那么地面平面部分的天线将能够更有效地辐射。

在电路板布局中,必须保持液晶或电池等部件远离天线区域,因为它们会干扰天线的辐射方式。

对于多频带频率,我们建议使用至少四层的电路板布局。

图4显示了上层和底层是如何提供地面平面的,而需要远离地面平面的数字信号和功率是如何在它们之间的空间运行的。

图4

为性能调整天线

对于地面面短于理想的情况,设计者可以研究其他技术来提高嵌入式天线的性能。

一种方法是为其运行的国家调整天线。4G频率范围很广,从698MHZ到2690MHZ不等,但每个不同的世界区域只使用这条频带的一部分,而且天线一次只能在一个频率上工作。这意味着当一个产品要在一个地理区域使用时,它可以被调到更窄的频带中。这将提高天线的性能。

另一种技术是包括有源调谐网络,这实际上是一个额外的射频开关电路,它将有助于克服由一个较小的地面造成的带宽减少,而该地面上的主电路板小于75mm。在天线送出点附近增加了圆周线匹配电路,以微调天线,提高性能。匹配电路的设计通常需要射频专家的帮助。

图5显示了天线评估板上的匹配电路。

图5

设计输电线路

一旦选择了PCB的材料,并知道其厚度和介电常数,就可以利用商业上可用的射频跟踪设计软件包设计出共平面传输线。这将利用电路板厚度、铜层分离和衬底介电常数来计算输电线路的最佳宽度和两侧适当的间隙,以实现共平面输电线路50微米。

所有的传输线路都应该设计成具有50欧的特性阻抗,而射频系统的其他部分,如收发器或功率放大器也应该设计为50欧的阻抗。

其他因素

可能有一个以上的天线,在同一电路板的不同频率上工作,但放置在很近的地方。如果天线只是接收系统,例如全球定位系统接收器,那么附近的发射天线,例如4G无线电可以使全球定位系统的精度降低。必须注意通过天线之间的物理距离来分离这些天线系统--确保天线是相互正交的--或者通过割取地面平面来移除天线之间共有的地面电流。

在多输入、多输出(MIMO)系统中,设计将需要多个天线,这些天线应与另一个天线相对放置,以便它们能够共存。它们可以匹配到相同的频率。必须放置天线,以确保隔离和交叉相关在可接受的限度内。如上所述,必须谨慎地通过天线之间的物理距离将设备中的天线分开,确保天线之间的正交,或通过在天线之间割取地面平面,以去除天线之间共享的地面电流。

图6显示了多样性的邻近配置。