PCB 射频天线设计和版图创建技巧

本文要点：

· 射频天线有多种形式，从集成在芯片中的扁平天线，到直接印制在 PCB 上的铜质天线。
· 创建带有一个或多个天线的版图时，需要确保在 PCB不同电路模块之间彼此隔离。
· 在设计一个射频天线时，应该使用 CAD 工具，此类工具可以帮助设计隔离结构、过渡结构，甚至可以为 PCB 设计印制天线。

如今，很难想象有哪种消费电子产品不包含天线，甚至连车库门开启器也可以通过蓝牙或 WiFi 与手机相连。每当有新的射频天线添加到 PCB 版图中，都会给射频设计师带来新的难题，特别是当前的设计又开始重视起模拟设计技能。随着诸多射频功能被添加到新的 PCB 上，设计师该如何确保系统中的信号不被破坏，并保持信号完整性呢？

一些简单的设计选择可以确保射频信号不被附近的数字元器件所削弱，同时也将有助于防止多个模拟信号之间发生相互干扰。虽然在设计混合信号或全射频系统时，需要考虑很多射频设计方面的问题，但天线设计和版图可能是最重要的两个方面。下面我们了解一下 PCB 版图中的射频天线设计以及如何确保模拟信号完整性。

射频天线设计基础知识

在设计定制天线或选择 COTS 天线用于射频 PCB 时，需要遵循几个基本要点。所有射频天线都有一些特殊的特性，在设计阶段应予以考虑。每根天线都需要具备以下元件：

· 浮动的导电辐射器：用于发出辐射的天线单元。
· 参考平面：天线的参考平面或单元有助于确定天线结构在每种天线模式中的方向性。
· 馈线：馈线用于将输入信号从射频元件输送到辐射天线单元中。
· 阻抗匹配网络：天线通常具有约 10 欧姆的阻抗，因此需要与馈线阻抗相匹配，以防止反射并确保在所需的载波频率和带宽下实现最大功率传输。

图中的SMA 连接器与射频天线之间具有同轴连接

许多标准的天线设计已经得到充分研究。我们可以在网上找到许多参考设计，然后可以将其复制到自己的 PCB 版图中。我们还可以在微波工程教科书中找到许多标准天线结构的设计公式。最后，如果想使用 COTS 射频天线，可以在市场上找到许多价格低廉的设计。无论选择使用哪种射频天线，都需要在版图中仔细放置，以防止电路板各个部位之间发生干扰。

射频天线版图技巧

设计好天线之后，需要判断应该把它放在 PCB 上的什么位置。射频设计师可从混合信号设计师那里获得一些技巧（大多数射频电路板实际上是混合信号电路板），以防止射频前端、后端和数字部分之间出现干扰。

· 高效辐射：旨在确保来自天线单元的辐射离开电路板，而不被 PCB 版图中的其他结构所接收。
· 隔离：同样，我们也不希望 PCB 版图中的多个部分直接发生相互干扰。
· 电磁兼容性 (EMC)：最后，需要确保版图不会接收来自其他设备的信号，这些设备可能在广泛的频率范围内发射信号。

在 PCB 的实际设计中，大多数设计目标都是相互竞争的，但有两个要点需要遵循，这将有助于平衡这些设计目标。

在 PCB 版图中让电路模块彼此分开

这是一个基本的混合信号 PCB 设计要点，也同样适用于射频天线的版图。需要将天线部分放置在电路板上，并与其他电路模块分开。一般来说，最好是将天线部分放在靠近电路板边缘的位置，并远离其他模拟元件。这样可以将强辐射限制在电路板上的一个位置，并确保各个部分之间的干扰最小。

PCB 上的网格化系统版图

网格化的挑战在于确保不同部分的回流路径不会相互干扰，否则将导致噪声耦合和串扰。使用集成在先进 PCB 设计工具中的场求解器，将有助于在创建版图时发现回流路径的偏差。对于高频设计，要采用连续的接地平面结构，以确保一致的回流路径。

隔离天线部分

现代手机和高速数据网络设备采用了创造性的隔离结构，这已成为射频隔离技术的黄金标准。很简单，隔离就是在电路板上的射频敏感元件周围放置一些屏蔽物，以阻止发射器和接收器之间的电波传播。下面的表格中介绍了可以用于射频天线部分的一些结构，以隔离元件、馈线和天线，或隔离外部噪声源。


隔离结构通常放置在射频元件之间，以阻止它们之间的噪声耦合和功率交换。确定使用哪种隔离结构来确保射频天线信号的完整性，是一个复杂的设计问题，业界对此已经进行了深入的研究。如果我们不是椭圆积分方面的专家，就需要依靠电磁 (EM) 场求解器来确定这些结构如何影响馈线/射频天线的阻抗，以及这些结构提供的隔离水平。

如果使用电磁场求解器，就可以使用近场和远场仿真来确定 PCB 版图中出现强辐射的区域。一旦确定了这些区域以及发射的频率，将有助于确定应该使用哪种类型的隔离策略。最好是直接使用频域（FDFD 方法），而不是使用傅里叶变换来转换 FDTD 结果。

射频天线设计和版图创建需要格外注意细节，因此多加谨慎是有意义的，从而确保射频设计的隔离和信号完整性。