天線不像其他組件。它們的行為更難預(yù)測(cè)，因?yàn)樘炀€會(huì)在帶有評(píng)估板原型的測(cè)試實(shí)驗(yàn)室中以某種方式執(zhí)行，然后在終集成到設(shè)備中時(shí)表現(xiàn)不同。性能差異取決于天線周圍的其他組件和附近可能吸收天線信號(hào)或?qū)е缕湟圆煌绞椒瓷涞牟牧?。這意味著設(shè)計(jì)無(wú)線設(shè)備以靠近身體工作尤其困難——例如健身設(shè)備或醫(yī)療設(shè)備或其他可穿戴電子設(shè)備——因?yàn)槿梭w會(huì)吸收信號(hào)。將天線集成到具有金屬外殼的設(shè)備中也具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)榻饘贂?huì)對(duì)信號(hào)產(chǎn)生陰影，就像樹(shù)木阻擋陽(yáng)光照射地面一樣。

我們還應(yīng)該提到，天線將在自由空間或測(cè)試條件下以一種方式運(yùn)行，而當(dāng)它嵌入到設(shè)備中時(shí)則不同。

如果設(shè)計(jì)使用嵌入式天線，那么當(dāng)天線需要與設(shè)備中的其他 RF 組件匹配時(shí)，創(chuàng)建設(shè)計(jì)時(shí)就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)問(wèn)題，以改進(jìn)其性能并確保天線以正確的頻率輻射, 并在指定范圍內(nèi)執(zhí)行。匹配過(guò)程還沒(méi)有被很好地理解，并且是創(chuàng)建無(wú)線設(shè)計(jì)的更具挑戰(zhàn)性的方面之一。

本文解釋了此過(guò)程中的步驟。

地平面

大多數(shù)嵌入式天線被設(shè)計(jì)為反射接地平面（這稱為互易性），并且接地平面需要一定的長(zhǎng)度才能使天線正常工作。這可能是初考慮 PCB 設(shè)計(jì)和布局的一個(gè)因素，因?yàn)樵O(shè)計(jì)必須滿足天線的接地平面要求，并留出足夠的空間和長(zhǎng)度供其運(yùn)行。盡管有些天線可能不需要接地層，但這是選擇嵌入式天線時(shí)要考慮的關(guān)鍵特性。

對(duì)于接地平面相關(guān)的天線，PCB 實(shí)際上成為天線的接地部分。這意味著 PCB 的較低層可能會(huì)影響天線的性能，因此在 PCB 疊層中不要將電池或 LCD 放置在天線附近很重要。

地平面尺寸還應(yīng)允許用于與設(shè)備通信的任何電線以及為設(shè)備供電的電池或電源線。如果使用正確的接地平面尺寸，這將確保設(shè)計(jì)允許足夠的空間，并且連接到設(shè)備的電纜和電池對(duì)天線的影響較小。

天線效率

天線性能是根據(jù)效率來(lái)衡量的。這是一種現(xiàn)象，附近的其他物體改變了天線輻射的電磁場(chǎng)，并導(dǎo)致天線的性能降低，并且可能不符合設(shè)計(jì)的規(guī)定。效率考慮了天線的匹配程度，以便將無(wú)線電傳輸?shù)教炀€的所有能量傳輸，以及天線跡線設(shè)計(jì)捕獲該能量的程度，使其能夠從設(shè)備輻射出去。

電壓駐波比 (VSWR)

電壓駐波比或 VSWR 是回波損耗的測(cè)量值，顯示有多少能量通過(guò)傳輸線傳輸或沿傳輸線反射回來(lái)，這兩者都會(huì)對(duì)天線的性能產(chǎn)生不利影響。

VSWR 是一個(gè)重要的值，了解它有助于構(gòu)建成功的無(wú)線設(shè)計(jì)。如果在大多數(shù)情況下 VSWR 可以保持較低（至少在 2:1 和 3:1 之間），則有助于補(bǔ)償天線結(jié)構(gòu)中較低的效率。低 VSWR 意味著天線正在接收更多功率，這是更可取的。小于 2 的 VSWR 值通常被認(rèn)為表示天線匹配良好。

傳輸線是承載信號(hào)進(jìn)出天線的銅跡線。正是在這條走線上，如果設(shè)計(jì)不當(dāng)，可能會(huì)存在非常高的電阻，并且可能會(huì)丟失信號(hào)，甚至高達(dá) 50%，這是由于耦合到地面而不是傳輸?shù)教炀€的能量造成的. 天線走線的阻抗值為 50 歐姆，設(shè)計(jì)中的其他射頻元件（如無(wú)線電）也應(yīng)設(shè)置為 50 歐姆。

傳輸射頻能量進(jìn)出天線的傳輸線是決定無(wú)線性能的關(guān)鍵因素。優(yōu)化不佳的傳輸線可能導(dǎo)致無(wú)線性能下降多達(dá) 50%。理想情況下，傳輸線將 100% 的功率傳送到天線，盡管在現(xiàn)實(shí)中這很難實(shí)現(xiàn)。這部分是由于所用材料的吸收損耗、走線的急劇彎曲以及阻抗不匹配導(dǎo)致的反射能量。

應(yīng)計(jì)算跡線和 PCB 堆疊的尺寸和長(zhǎng)度，以盡可能降低 VSWR。

計(jì)算天線阻抗的舊方法是使用史密斯圓圖，它顯示了與頻率相關(guān)的阻抗的正確值。圓心代表接收 100% 功率的完美匹配天線，外圈顯示反射系數(shù)，所有功率都反射回源。

圖 1 顯示了史密斯圓圖的示例。（ Ltd）

如今，有軟件計(jì)算器可以根據(jù) PCB 厚度、銅厚度和 PCB 基板的介電常數(shù)進(jìn)行計(jì)算，從而即時(shí)給出 GCPW 結(jié)果。PCB 的厚度和介電常數(shù)都對(duì)限制天線的回波損耗起著關(guān)鍵作用。在www.antenova.com上有一個(gè)的軟件工具  。

這里值得一提的是，終的 PCB 必須使用與設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)期間使用的材料相同的材料制造——否則差異會(huì)改變天線的阻抗值，并且天線可能無(wú)法達(dá)到預(yù)期的性能。

什么是天線匹配？

天線匹配是調(diào)整設(shè)計(jì)以確保天線（芯片或模塊）的阻抗與 PCB 上的其他射頻電路正確對(duì)齊的過(guò)程。目的是創(chuàng)建一個(gè)阻抗盡可能接近 50 歐姆的設(shè)計(jì)，以創(chuàng)建一個(gè)性能良好的天線，請(qǐng)記住，如果 PCB 或外殼上附近的其他組件引起天線頻率的變化，天線的頻率可能會(huì)發(fā)生變化干涉。

一種方法是在設(shè)計(jì)中添加阻抗匹配電路。Antenova 推薦了一個(gè) pi (TT) 匹配電路，可以對(duì)天線進(jìn)行調(diào)諧和優(yōu)化。pi 匹配電路可能由三個(gè)組件（電感器和電容器）組成，用于單頻段天線，或更多組件用于多頻段天線。這是一種有用的方法來(lái)調(diào)整天線以在設(shè)計(jì)中發(fā)揮更好的性能，尤其是在要求天線在不太理想的位置（例如手持或佩戴在身體上）運(yùn)行的現(xiàn)實(shí)條件下。

對(duì)于位于 PCB 上的嵌入式天線，通常建議使用接地共面波導(dǎo) (GCPW)。這意味著無(wú)需使用過(guò)孔連接到 PCB 下側(cè)的組件，這是更可取的，因?yàn)檫^(guò)孔會(huì)增加傳輸線的損耗或增加匹配組件的電感，從而導(dǎo)致調(diào)諧值不準(zhǔn)確。

GCPW 是計(jì)算嵌入式天線跡線的傳統(tǒng)方法。它顯示了地平面和元件層之間的高度，以維持 50 歐姆的系統(tǒng)。

GCPW 在頂層以所謂的接地-信號(hào)-接地配置進(jìn)行配置。此外，信號(hào)下方還有一個(gè)額外的接地層，可進(jìn)一步隔離信號(hào)。

圖 2 顯示了接地共面波導(dǎo)的橫截面。（ Ltd）

這種配置非常適合高頻應(yīng)用。GSG 配置提供良好的干擾隔離，并且在優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)通?？上薅鹊販p少輻射損失。

這種安排的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是它為設(shè)計(jì)人員提供了靈活性。傳輸線的尺寸和物理布局將定義傳輸線的特性阻抗。有不少于四個(gè)尺寸可供定制，設(shè)計(jì)人員在匹配阻抗方面有很多選擇。

圖 3 顯示了共面波導(dǎo)的四個(gè)組件。（ Ltd）

CPW 有四個(gè)不同的部分，它們是：

1. 導(dǎo)電條
2. 周圍地平面
3. 隔離差距
4. 介電基板層

設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

GCPW 需要一致和仔細(xì)的設(shè)計(jì)才能按預(yù)期運(yùn)行。與其他類型的傳輸線一樣，它們的尺寸和長(zhǎng)度是關(guān)鍵。傳輸線越長(zhǎng)，信號(hào)沿線傳輸時(shí)受到的干擾就越大。因此，保持線路長(zhǎng)度不超過(guò)波長(zhǎng)的 10%非常重要，尤其是在針對(duì)高頻應(yīng)用進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)。

使用共面波導(dǎo)時(shí)，隔離間隙的寬度沿線路的整個(gè)長(zhǎng)度保持一致是很重要的。間隙還必須比周圍的接地平面更細(xì)，以避免性能下降。這些間隙的寬度可以改變特性阻抗，因此保持這些線的均勻性可以防止阻抗不匹配。，介電基板層的厚度應(yīng)為導(dǎo)電條寬度的兩倍。

圖 4 顯示了 GCPW 的布局。（ Ltd）

GCPW優(yōu)勢(shì)

• 隔離導(dǎo)體減少了反射。
• 在高頻下表現(xiàn)良好。
• 可以 通過(guò)調(diào)整隔離間隙和接地平面的寬度來(lái)調(diào)整阻抗。
• 兼容一系列高頻技術(shù)，包括 5G 的新無(wú)線電。
• 為 PCB 選擇的材料對(duì)損耗的影響較小。

當(dāng)可能存在干擾、成本不那么重要時(shí)，或者在超緊湊、微型化設(shè)計(jì)中，GCPW 是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。雖然它們比微帶線等替代方案更昂貴，但它們?cè)诖蠖鄶?shù)情況下的性能要強(qiáng)得多。對(duì)于更大的應(yīng)用，同軸電纜可能是更好的選擇，因?yàn)樗哂谐杀拘б?、易用性、低損耗和避免干擾的能力。然而，對(duì)于無(wú)法使用同軸電纜的小型緊湊型系統(tǒng)，GCPW 仍然表現(xiàn)出色。

當(dāng)設(shè)計(jì)用于 PCB 尺寸受限的小型設(shè)備，并且其他組件放置在靠近天線的位置時(shí)，正確匹配天線以確保良好的 RF 性能變得更加重要。

隨著設(shè)備越來(lái)越小的趨勢(shì)，PCB 上的空間、地平面和其他組件的接近度問(wèn)題確實(shí)變得更具挑戰(zhàn)性。對(duì)于更小或更復(fù)雜的設(shè)計(jì)，利用 RF 的服務(wù)來(lái)幫助進(jìn)行天線測(cè)試和匹配可能會(huì)更容易。

一旦設(shè)備開(kāi)始發(fā)送和接收信號(hào)，建議在測(cè)量輻射功率時(shí)將匹配組件值上下調(diào)整一兩個(gè)值，以優(yōu)化盡可能的匹配。進(jìn)行“有源”調(diào)諧的原因是在沒(méi)有測(cè)試同軸電纜的情況下優(yōu)化無(wú)線電和天線之間跡線的阻抗。