本文要點

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 上的銅質天線。

創建帶有一個或多個天線的版圖時，需要確保在 PCB不同電路模塊之間彼此隔離。

在設計一個射頻天線時，應該使用 CAD 工具，此類工具可以幫助設計隔離結構、過渡結構，甚至可以為 PCB 設計印制天線。

如今，很難想象有哪種消費電子產品不包含天線，甚至連車庫門開啟器也可以通過藍牙或 WiFi 與手機相連。每當有新的射頻天線添加到 PCB 版圖中，都會給射頻設計師帶來新的難題，特別是當前的設計又開始重視起模擬設計技能。隨著諸多射頻功能被添加到新的 PCB 上，設計師該如何確保系統中的信號不被破壞，并保持信號完整性呢？

一些簡單的設計選擇可以確保射頻信號不被附近的數字元器件所削弱，同時也將有助于防止多個模擬信號之間發生相互干擾。雖然在設計混合信號或全射頻系統時，需要考慮很多射頻設計方面的問題，但天線設計和版圖可能是最重要的兩個方面。下面我們了解一下 PCB 版圖中的射頻天線設計以及如何確保模擬信號完整性。

射頻天線設計基礎知識

在設計定制天線或選擇 COTS 天線用于射頻 PCB 時，需要遵循幾個基本要點。所有射頻天線都有一些特殊的特性，在設計階段應予以考慮。每根天線都需要具備以下元件：

浮動的導電輻射器：用于發出輻射的天線單元。

參考平面：天線的參考平面或單元有助于確定天線結構在每種天線模式中的方向性。

饋線：饋線用于將輸入信號從射頻元件輸送到輻射天線單元中。

阻抗匹配網絡：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現最大功率傳輸。

圖中的SMA 連接器與射頻天線之間具有同軸連接。

許多標準的天線設計已經得到充分研究。我們可以在網上找到許多參考設計，然后可以將其復制到自己的 PCB 版圖中。我們還可以在微波工程教科書中找到許多標準天線結構的設計公式。最后，如果想使用 COTS 射頻天線，可以在市場上找到許多價格低廉的設計。無論選擇使用哪種射頻天線，都需要在版圖中仔細放置，以防止電路板各個部位之間發生干擾。

射頻天線版圖技巧

設計好天線之后，需要判斷應該把它放在 PCB 上的什么位置。射頻設計師可從混合信號設計師那里獲得一些技巧（大多數射頻電路板實際上是混合信號電路板），以防止射頻前端、后端和數字部分之間出現干擾。

高效輻射：旨在確保來自天線單元的輻射離開電路板，而不被 PCB 版圖中的其他結構所接收。

隔離：同樣，我們也不希望 PCB 版圖中的多個部分直接發生相互干擾。

電磁兼容性 (EMC)：最后，需要確保版圖不會接收來自其他設備的信號，這些設備可能在廣泛的頻率范圍內發射信號。

在 PCB 的實際設計中，大多數設計目標都是相互競爭的，但有兩個要點需要遵循，這將有助于平衡這些設計目標。

在 PCB 版圖中讓電路模塊彼此分開

這是一個基本的混合信號 PCB 設計要點，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。一般來說，最好是將天線部分放在靠近電路板邊緣的位置，并遠離其他模擬元件。這樣可以將強輻射限制在電路板上的一個位置，并確保各個部分之間的干擾最小。

PCB 上的網格化系統版圖

網格化的挑戰在于確保不同部分的回流路徑不會相互干擾，否則將導致噪聲耦合和串擾。使用集成在先進 PCB 設計工具中的場求解器，將有助于在創建版圖時發現回流路徑的偏差。對于高頻設計，要采用連續的接地平面結構，以確保一致的回流路徑。

隔離天線部分

現代手機和高速數據網絡設備采用了創造性的隔離結構，這已成為射頻隔離技術的黃金標準。很簡單，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構，以隔離元件、饋線和天線，或隔離外部噪聲源。

隔離結構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構來確保射頻天線信號的完整性，是一個復雜的設計問題，業界對此已經進行了深入的研究。如果我們不是橢圓積分方面的專家，就需要依靠電磁 (EM) 場求解器來確定這些結構如何影響饋線/射頻天線的阻抗，以及這些結構提供的隔離水平。

如果使用電磁場求解器，就可以使用近場和遠場仿真來確定 PCB 版圖中出現強輻射的區域。一旦確定了這些區域以及發射的頻率，將有助于確定應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轉換 FDTD 結果。

射頻天線設計和版圖創建需要格外注意細節，因此多加謹慎是有意義的，從而確保射頻設計的隔離和信號完整性。

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