被問爆的避坑方法！——天線設計

天線設計，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，天線管腳到4G天線之間的電路設計和走線規(guī)則。
 

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

知識點：

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

一、天線的阻抗控制和匹配

由于Air700ECQ/EAQ/EMQ射頻天線傳輸?shù)男盘栴l率區(qū)間，從824MHz到2655MHz不等，屬于高速模擬信號，因此對于天線電路設計，主要目的是：

保證射頻信號無損的從模組天線管腳傳輸至4G天線，也就是關注于模組和4G天線的射頻PCB傳輸線以及匹配電路。

整個射頻傳輸鏈路如下所示：

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

特別說明：

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

1. 阻抗控制:

根據(jù)傳輸線理論，負載端的傳輸功率為：

其中Γ為反射系數(shù)；Z0為傳輸線特征阻抗；V0為傳輸電壓。

由此可見：

當反射系數(shù)為0，即負載匹配時候，傳送到負載的功率最大；

當反射系數(shù)為1，即負載失配時候，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損的傳到4G天線，則必須保證PCB傳輸線的反射系數(shù)盡量接近0。

而反射系數(shù)為：

其中Γ為反射系數(shù)；Z0為傳輸線特征阻抗；ZL負載端特征阻抗。

負載阻抗ZL=Z0，根據(jù)反射系數(shù)的公式，分子為0，所以，反射系數(shù)為0，表示無反射；

當負載開路的時候，即負載阻抗無窮大，分子分母上的Z0可以忽略不計，所以，反射系數(shù)為1。

對于射頻系統(tǒng)的行業(yè)規(guī)范，射頻器件輸出阻抗和輸入阻抗均是按照50歐姆特征阻抗來設計。因此，在我們設計PCB傳輸線時，也要將傳輸線特征阻抗控制在50歐姆附近才能保證反射系數(shù)最小。

2. 匹配網(wǎng)絡：

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，無法完全做到精確50歐姆特征阻抗，總是會有容抗的成分，因此就需要增加匹配網(wǎng)絡來調(diào)整信源和負載為純組性，即負載阻抗與信源阻抗?jié)M足共軛匹配時，能夠使負載得到最大功率。

通常在4G模組天線端預留Π型匹配網(wǎng)絡，以便在4G天線調(diào)試時能夠給與足夠的匹配調(diào)整空間。

二、天線傳輸線的參考設計

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

模組天線電路的參考設計如下：

注意事項：

連接到模組RF天線焊盤的RF走線必須使用微帶線或者其他類型的RF走線，阻抗必須控制在50歐姆左右；

在靠近天線的地方預留Π型匹配電路，兩顆電容默認不貼片，電阻默認貼0歐姆，待天線廠調(diào)試好天線以后再貼上實際調(diào)試的匹配電路；

Π型匹配電路靠近天線放置。

三、推薦的PCB堆疊和線寬方案

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

PCB特性阻抗的控制通常采用：

微帶線、共面波導兩種方式。

1. 微帶線：

微帶線是一根帶狀導線，指只有一邊存在參考平面的傳輸線，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(shù)Er線路板的表面之上，以電源或接地層為參考。

如下圖所示：

注意事項： 

通常在PCB設計時會在表面大范圍覆銅，如果采用微帶線做阻抗控制，要注意射頻走線要與周圍覆銅的地保持3倍線寬以上，避免周圍的地對阻抗的影響。

2. 共面波導：

共面波導是將兩個平行的導體與一個介質(zhì)隔離開來，它們位于同一平面內(nèi)，而電場則穿過介質(zhì)。

相對于微帶線和帶狀線，共面波導的特點是：

結構簡單、寬帶、低損耗、易于與其他微波元器件進行集成等優(yōu)點，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與周圍地銅箔的距離，相對微帶線來說控制難度相對較高。

▼ 微帶線與共面波導的選擇 ▼

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

例如：

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

這個線寬在實際設計中根本無法設計，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L2層：

2層板1.0mm板厚：共面波導

阻抗線到銅箔距離 6mil，線寬 21.77mil；

2層板1.2mm板厚：共面波導

阻抗線到銅箔距離6mil，線寬24.11mil；

2層板1.6mm板厚：共面波導

阻抗線到銅箔距離6mil，線寬25.42mil；

02）四層PCB板共面波導結構，下方參考地為L3層：

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

4層板1.2mm板厚：共面波導 

阻抗線到銅箔距離6mil，線寬24.02mil；注意L2層阻抗線下方覆銅挖空處理。

4層板1.6mm板厚：共面波導

阻抗線到銅箔距離6mil，線寬26.43mil；注意L2層阻抗線下方覆銅挖空處理。

3）阻抗控制計算方式：

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

嘉立創(chuàng)阻抗計算神器：

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

四、天線傳輸線設計規(guī)則

在射頻天線接口的電路設計中，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：

傳輸線整段走線都要進行50歐姆阻抗控制；

與射頻引腳相鄰的地引腳不做熱焊盤，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，同時避免直角走線，建議走線夾角保持為135°；

建立連接器件的封裝時，信號腳需與地保持距離；

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

射頻信號線必須遠離干擾源，避免和相鄰層的任何信號線交叉或平行。

五、你一定要聽的幾句忠告

天線設計，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(nèi)專業(yè)人員和行業(yè)外非專業(yè)人員，最大的經(jīng)驗差別。

天線效果差異：

天線設計的差，信號質(zhì)量就差，在基站信號好的地方體驗不出來差別，最多就是功耗大一點(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(qū)別，體驗一個天上一個地下。

如果使用的是外置天線：

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

如果使用的是內(nèi)置天線：

天線的性能不僅與內(nèi)部PCB走線有關系，也與外殼的材質(zhì)、天線在外殼內(nèi)的空間以及天線周邊的器件干擾等等都有關系，需要找專業(yè)的天線廠進行評估，尤其是在設計之初就要同天線廠進行溝通，以免后續(xù)生米做成熟飯造成無法挽回的損失。

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

雖然本文講了很多關于天線方面的專業(yè)知識，但是對于大多數(shù)用戶來說是不需要自己深刻掌握，只需要知道天線常識的來龍去脈就可以了。大多數(shù)時候，只需要找專業(yè)的天線廠幫忙搞定即可。

今天的內(nèi)容就分享到這里了~