被問(wèn)爆的避坑方法！——天線(xiàn)設計

天線(xiàn)設計，也是4G模組應用中最容易踩坑的地方。今天主要分享討論Air700ECQ/EAQ/EMQ系列模組，天線(xiàn)管腳到4G天線(xiàn)之間的電路設計和走線(xiàn)規則。
 

Air700ECQ/EAQ/EMQ模組屬于Cat.1 bis R13架構，天線(xiàn)架構精簡(jiǎn)為單天線(xiàn)架構，去掉了分集接收天線(xiàn)，因此只需要一根天線(xiàn)。
 

知識點(diǎn)：

Cat.1 bis相對于Cat.1的區別是，后者為兩根天線(xiàn)(一根主天線(xiàn)，一根分集天線(xiàn))；Cat.1 bis在設計和應用上更簡(jiǎn)單，更符合低速物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)際應用場(chǎng)景。

一、天線(xiàn)的阻抗控制和匹配

由于A(yíng)ir700ECQ/EAQ/EMQ射頻天線(xiàn)傳輸的信號頻率區間，從824MHz到2655MHz不等，屬于高速模擬信號，因此對于天線(xiàn)電路設計，主要目的是：

保證射頻信號無(wú)損的從模組天線(xiàn)管腳傳輸至4G天線(xiàn)，也就是關(guān)注于模組和4G天線(xiàn)的射頻PCB傳輸線(xiàn)以及匹配電路。

整個(gè)射頻傳輸鏈路如下所示：

4G模組---->PCB傳輸線(xiàn)----->天線(xiàn)匹配---->PCB傳輸線(xiàn)---->射頻連接器---->同軸傳輸線(xiàn)---->4G天線(xiàn)

特別說(shuō)明：

有些產(chǎn)品可能不需要“射頻連接器”和“同軸傳輸線(xiàn)”；本文僅以需要“射頻連接器”和“同軸傳輸線(xiàn)”的情況進(jìn)行說(shuō)明。

1. 阻抗控制:

根據傳輸線(xiàn)理論，負載端的傳輸功率為：

其中Γ為反射系數；Z0為傳輸線(xiàn)特征阻抗；V0為傳輸電壓。

由此可見(jiàn)：

當反射系數為0，即負載匹配時(shí)候，傳送到負載的功率最大；

當反射系數為1，即負載失配時(shí)候，傳送到負載的功率為0。

因此，為了保證盡可能保證射頻功率無(wú)損的傳到4G天線(xiàn)，則必須保證PCB傳輸線(xiàn)的反射系數盡量接近0。

而反射系數為：

其中Γ為反射系數；Z0為傳輸線(xiàn)特征阻抗；ZL負載端特征阻抗。

負載阻抗ZL=Z0，根據反射系數的公式，分子為0，所以，反射系數為0，表示無(wú)反射；

當負載開(kāi)路的時(shí)候，即負載阻抗無(wú)窮大，分子分母上的Z0可以忽略不計，所以，反射系數為1。

對于射頻系統的行業(yè)規范，射頻器件輸出阻抗和輸入阻抗均是按照50歐姆特征阻抗來(lái)設計。因此，在我們設計PCB傳輸線(xiàn)時(shí)，也要將傳輸線(xiàn)特征阻抗控制在50歐姆附近才能保證反射系數最小。

2. 匹配網(wǎng)絡(luò )：

由于模組射頻管腳輸出阻抗和4G天輸入阻抗由于各種原因，無(wú)法完全做到精確50歐姆特征阻抗，總是會(huì )有容抗的成分，因此就需要增加匹配網(wǎng)絡(luò )來(lái)調整信源和負載為純組性，即負載阻抗與信源阻抗滿(mǎn)足共軛匹配時(shí)，能夠使負載得到最大功率。

通常在4G模組天線(xiàn)端預留Π型匹配網(wǎng)絡(luò )，以便在4G天線(xiàn)調試時(shí)能夠給與足夠的匹配調整空間。

二、天線(xiàn)傳輸線(xiàn)的參考設計

雖然天線(xiàn)電路原理設計并不復雜，但天線(xiàn)走線(xiàn)的PCB設計非常重要——直接影響整個(gè)系統的射頻指標性能。

模組天線(xiàn)電路的參考設計如下：

注意事項：

連接到模組RF天線(xiàn)焊盤(pán)的RF走線(xiàn)必須使用微帶線(xiàn)或者其他類(lèi)型的RF走線(xiàn)，阻抗必須控制在50歐姆左右；

在靠近天線(xiàn)的地方預留Π型匹配電路，兩顆電容默認不貼片，電阻默認貼0歐姆，待天線(xiàn)廠(chǎng)調試好天線(xiàn)以后再貼上實(shí)際調試的匹配電路；

Π型匹配電路靠近天線(xiàn)放置。

三、推薦的PCB堆疊和線(xiàn)寬方案

一般情況下，射頻信號線(xiàn)的阻抗由材料的介電常數、走線(xiàn)寬度(W)、對地間隙(S)、以及參考地平面的高度(H)決定，因此天線(xiàn)走線(xiàn)需要做50歐姆特征阻抗控制，需要對本文前面所述的幾個(gè)參數做精確控制。

PCB特性阻抗的控制通常采用：

微帶線(xiàn)、共面波導兩種方式。

1. 微帶線(xiàn)：

微帶線(xiàn)是一根帶狀導線(xiàn)，指只有一邊存在參考平面的傳輸線(xiàn)，頂部和側邊都曝置于空氣中（也可上敷涂覆層），位于絕緣常數Er線(xiàn)路板的表面之上，以電源或接地層為參考。

如下圖所示：

注意事項： 

通常在PCB設計時(shí)會(huì )在表面大范圍覆銅，如果采用微帶線(xiàn)做阻抗控制，要注意射頻走線(xiàn)要與周?chē)层~的地保持3倍線(xiàn)寬以上，避免周?chē)牡貙ψ杩沟挠绊憽?/span>

2. 共面波導：

共面波導是將兩個(gè)平行的導體與一個(gè)介質(zhì)隔離開(kāi)來(lái)，它們位于同一平面內，而電場(chǎng)則穿過(guò)介質(zhì)。

相對于微帶線(xiàn)和帶狀線(xiàn)，共面波導的特點(diǎn)是：

結構簡(jiǎn)單、寬帶、低損耗、易于與其他微波元器件進(jìn)行集成等優(yōu)點(diǎn)，適用于集成電路中高頻段的傳輸。

共面波導需要精確控制射頻走線(xiàn)與周?chē)劂~箔的距離，相對微帶線(xiàn)來(lái)說(shuō)控制難度相對較高。

▼ 微帶線(xiàn)與共面波導的選擇 ▼

雖然微帶線(xiàn)和共面波導模型理論上都能做到傳輸線(xiàn)的50歐姆阻抗控制，但是在實(shí)際的設計中還要考慮阻抗控制后的線(xiàn)寬能否具備實(shí)際可操作。

例如：

在用2層PCB板，1.2mm板厚情況下，用微帶線(xiàn)模型算出的50歐姆理論線(xiàn)寬為77mil。

這個(gè)線(xiàn)寬在實(shí)際設計中根本無(wú)法設計，即不具備可操作性。

同樣的用共面波導模型，在距離兩邊地銅箔4mil距離情況下，線(xiàn)寬僅13.8mil就能達到50歐姆阻抗。顯然，這種情況下共面波導模型更符合實(shí)際設計要求。

常用的PCB 50歐姆阻抗控制堆疊方案：

01）二層PCB板共面波導結構，下方參考地為L(cháng)2層：

2層板1.0mm板厚：共面波導

阻抗線(xiàn)到銅箔距離 6mil，線(xiàn)寬 21.77mil；

2層板1.2mm板厚：共面波導

阻抗線(xiàn)到銅箔距離6mil，線(xiàn)寬24.11mil；

2層板1.6mm板厚：共面波導

阻抗線(xiàn)到銅箔距離6mil，線(xiàn)寬25.42mil；

02）四層PCB板共面波導結構，下方參考地為L(cháng)3層：

上圖需要注意多層板結構參考地和阻抗線(xiàn)之間的層，需要將阻抗線(xiàn)投影區下方挖掉5W線(xiàn)寬的覆銅如上圖L2層。

4層板1.2mm板厚：共面波導 

阻抗線(xiàn)到銅箔距離6mil，線(xiàn)寬24.02mil；注意L2層阻抗線(xiàn)下方覆銅挖空處理。

4層板1.6mm板厚：共面波導

阻抗線(xiàn)到銅箔距離6mil，線(xiàn)寬26.43mil；注意L2層阻抗線(xiàn)下方覆銅挖空處理。

3）阻抗控制計算方式：

下面是立創(chuàng )阻抗計算器網(wǎng)址，如果有其他線(xiàn)寬和疊構需求，請自行計算；投板的時(shí)候請將需要阻抗控制的線(xiàn)段高亮截圖給板廠(chǎng)，要求板廠(chǎng)按要求進(jìn)行微調管控。

嘉立創(chuàng )阻抗計算神器：

https://tools.jlc.com/jlcTools/index.html#/impedanceCalculateNew

四、天線(xiàn)傳輸線(xiàn)設計規則

在射頻天線(xiàn)接口的電路設計中，為了確保射頻信號的良好性能與可靠性，建議遵循以下設計原則：

傳輸線(xiàn)整段走線(xiàn)都要進(jìn)行50歐姆阻抗控制；

與射頻引腳相鄰的地引腳不做熱焊盤(pán)，要與地充分接觸；

射頻引腳到射頻連接器之間的距離應盡量短，同時(shí)避免直角走線(xiàn)，建議走線(xiàn)夾角保持為135°；

建立連接器件的封裝時(shí)，信號腳需與地保持距離；

射頻信號線(xiàn)參考的地平面應完整；在信號線(xiàn)和參考地周邊增加一定量的地孔可以幫助提升射頻性能；

射頻信號線(xiàn)必須遠離干擾源，避免和相鄰層的任何信號線(xiàn)交叉或平行。

五、你一定要聽(tīng)的幾句忠告

天線(xiàn)設計，是4G模組應用中最容易踩坑的地方。

這也是所謂的行業(yè)內專(zhuān)業(yè)人員和行業(yè)外非專(zhuān)業(yè)人員，最大的經(jīng)驗差別。

天線(xiàn)效果差異：

天線(xiàn)設計的差，信號質(zhì)量就差，在基站信號好的地方體驗不出來(lái)差別，最多就是功耗大一點(diǎn)(信號越差，發(fā)射功率越大，電流就越大，耗電量就越多)。

但在基站信號不那么好的地方，就是能聯(lián)網(wǎng)和不能聯(lián)網(wǎng)的區別，體驗一個(gè)天上一個(gè)地下。

如果使用的是外置天線(xiàn)：

比如棒狀天線(xiàn)，這時(shí)只需要內部PCB走線(xiàn)就可以，本文已經(jīng)做了詳細描述和提醒。

如果使用的是內置天線(xiàn)：

天線(xiàn)的性能不僅與內部PCB走線(xiàn)有關(guān)系，也與外殼的材質(zhì)、天線(xiàn)在外殼內的空間以及天線(xiàn)周邊的器件干擾等等都有關(guān)系，需要找專(zhuān)業(yè)的天線(xiàn)廠(chǎng)進(jìn)行評估，尤其是在設計之初就要同天線(xiàn)廠(chǎng)進(jìn)行溝通，以免后續生米做成熟飯造成無(wú)法挽回的損失。

Air700ECQ支持Wi-Fi Scan（注：Air700EAQ/EMQ不支持），跟4G共用天線(xiàn)，不需要單獨針對Wi-Fi Scan功能進(jìn)行天線(xiàn)調試。

雖然本文講了很多關(guān)于天線(xiàn)方面的專(zhuān)業(yè)知識，但是對于大多數用戶(hù)來(lái)說(shuō)是不需要自己深刻掌握，只需要知道天線(xiàn)常識的來(lái)龍去脈就可以了。大多數時(shí)候，只需要找專(zhuān)業(yè)的天線(xiàn)廠(chǎng)幫忙搞定即可。

今天的內容就分享到這里了~