PCB设计如何添加天線(xiàn)

2020-03-17

在PCB设计总经常遇到添加无線(xiàn)功能(néng)的需求，这里我们以GPS模块来讲解。

有(yǒu)源或无源GPS天線(xiàn)的目标是什么？

“有(yǒu)源天線(xiàn)”具有(yǒu)内置的低噪声放大器（LNA），通常会通过同轴電(diàn)缆（在机箱内部或外部）连接到主印刷電(diàn)路板（PCB），而无源天線(xiàn)设计没有(yǒu)LNA通常安装在天線(xiàn)元件上，通常直接安装在PCB上。

“无源天線(xiàn)”设计更加复杂，如果未与PCB上的其他(tā)产生噪声的组件正确隔离，则它们很(hěn)容易受到噪声耦合到天線(xiàn)接地层的影响。无源天線(xiàn)的设计也可(kě)能(néng)使测试变得复杂，因為(wèi)需要设置和校准RF室，再辐射天線(xiàn)和GPS模拟器，以获得一致的测试结果。

你需要哪种类型的天線(xiàn)元件？贴片，線(xiàn)性，芯片还是其他(tā)？

通常，尺寸為(wèi)15至25mm的贴片天線(xiàn)（至少侧面為(wèi)40mm）将在便携式设备中提供较好性能(néng)，但这对于你的应用(yòng)而言可(kě)能(néng)太大。这可(kě)能(néng)会迫使你查看较小(xiǎo)的天線(xiàn)拓扑，例如線(xiàn)性或芯片天線(xiàn)。

但是，在芯片和贴片天線(xiàn)之间进行选择时要注意一件事。贴片天線(xiàn)将在其各个侧面接收信号，因此在其尺寸方面将提供较好的信号性能(néng)。線(xiàn)性GPS天線(xiàn)（芯片或偶极子）通常仅沿其轴之一接收信号。这导致線(xiàn)性天線(xiàn)设计的灵敏度至少比贴片天線(xiàn)高一半（即–3 dB左右），并且大多(duō)数灵敏度可(kě)能(néng)约為(wèi)贴片天線(xiàn)的25％（即–6 dB）左右。

一些较新(xīn)的芯片和F折叠设计在这一领域显示出一定的希望。但是，一般使用(yòng)你选择的GPS芯片组或模块制造商(shāng)提供的评估套件，使用(yòng)各种天線(xiàn)拓扑来评估你的GPS灵敏度需求，以确定最适合你的设计要求的评估套件。

如果天線(xiàn)设计不是你的专長(cháng)，请考虑使用(yòng)有(yǒu)源芯片或贴片天線(xiàn)模块。这些单元提供了经过测试的天線(xiàn)模块，同时允许设计人员通过U.FL型连接器实现简单的GPS模拟器测试接口。

无论选择哪种天線(xiàn)设计，都还需要评估天線(xiàn)与外壳的间距，以消除天線(xiàn)失谐的影响。制造商(shāng)可(kě)以调整贴片天線(xiàn)，以解决贴片天線(xiàn)附近塑料外壳的失谐影响，但这可(kě)能(néng)会增加设计成本。另一种选择是选择带宽更大的天線(xiàn)，这通常意味着天線(xiàn)更高。

因此，你最终决定设计一个GPS芯片组解决方案，并选择了天線(xiàn)拓扑。下一步是什么？首先，了解GPS信号强度可(kě)能(néng)会有(yǒu)所帮助。在信号方面，GPS传输（在地面上）的大信号强度约為(wèi)–160 dBW（或–130 dBm），在大多(duō)数接收器设计中，它将比接收器的RF本底噪声低约20 dB。

频谱分(fēn)析仪和其他(tā)通用(yòng)RF设备将不会检测到此信号。实际上，GPS接收器RF前端永遠(yuǎn)不会有(yǒu)可(kě)跟踪，探测或捕获的模拟信号。检测GPS信号存在的唯一实用(yòng)方法是通过GPS接收器本身的相关过程。结果，所有(yǒu)GPS测试和性能(néng)指标都将包含来自GPS接收器的信号数据，这是测试过程不可(kě)或缺的一部分(fēn)。

开始设计

此时，你可(kě)能(néng)已经从GPS芯片组供应商(shāng)那里获得了参考设计，并且希望复制它的成功。在设计规则的思想工具箱中根深蒂固的第一个概念是：GPS信号低于本底噪声！重复一遍又(yòu)一遍。

对于GPS接收器而言，通过電(diàn)磁兼容性（EMC）测试的“安静”设计可(kě)能(néng)不会那么安静。在这个水平上，世界充满了数字噪声，因此一开始较好的设计策略是“隔离”。它不能(néng)保证无噪音的设计，但是应该為(wèi)你提供一个良好的开端。

图1详细描述了简化的GPS接收器原理(lǐ)图和布局，包括RF输入（包括有(yǒu)源天線(xiàn)供電(diàn)），LNA，一组匹配组件，表面声波（SAW）滤波器，隔直電(diàn)容，温度控制晶體(tǐ)振荡器（TCXO）和GPS RF芯片本身，都在RF屏蔽罩的保护下（稍后会详细介绍）。

图1

对于接地平面布局，你将需要将GPS接收器部分(fēn)（或GPS射频前端，如果是两芯片解决方案）隔离到其自己的RF接地平面，该RF接地点在单个点连接到数字部分(fēn)。这也是连接时钟和数据線(xiàn)的首先选择區(qū)域。然后，你将需要控制流入和流出GPS部分(fēn)的電(diàn)流。

通常，插入时钟和数据路径中的串联電(diàn)阻可(kě)以控制電(diàn)流。串联電(diàn)阻极大程度地减小(xiǎo)了信号改变状态时出现的瞬时電(diàn)流尖峰。另一个设计规则是要记住，接地是信号路径上传递的能(néng)量的返回路径。接地路径应始终与信号路径相等或更大。

另外，你将需要在单独的走線(xiàn)上（而不是在電(diàn)源平面上）跟踪GPS部分(fēn)的電(diàn)源。该规则的原因是，当電(diàn)源层和接地层相互叠置时，它们将用(yòng)PCB材料作為(wèi)電(diàn)介质来制造平板電(diàn)容器。

電(diàn)源平面上的任何噪声都将直接耦合到接地平面，从而产生噪声。你可(kě)能(néng)还需要考虑在数字设计部分(fēn)的其余部分(fēn)中使用(yòng)这种方法，因為(wèi)某些数字噪声可(kě)能(néng)会通过单点接地连接到达GPS RF部分(fēn)。

带状線(xiàn)，过孔和走線(xiàn)阻抗控制

在完成元件放置并定义并隔离了接地平面之后，你将需要运行数字，RF和接地回路走線(xiàn)。对于RF信号路径，你需要将阻抗设置為(wèi)50。这是否意味着你需要阻抗控制的PCB？不必要。

如果你的PCB制造商(shāng)允许你设置平面间距（或定义逐个批次保证的层间距），则可(kě)以自己控制。给定基于FR4的PCB材料，必要的走線(xiàn)宽度可(kě)以显示為(wèi)层间距的函数。

这些阻抗是使用(yòng)“典型”阻燃剂4（FR4）介電(diàn)常数4.5来计算的。或者，你可(kě)以采用(yòng)简单的方法，并使用(yòng)许多(duō)在線(xiàn)阻抗计算器之一来进行计算。

你仍将需要PCB介電(diàn)常数值来计算走線(xiàn)宽度。由于FR4通常在4.3到4.7之间运行，因此在大多(duō)数情况下，数值4.5都可(kě)以使用(yòng)，但是你应该向PCB制造商(shāng)进行验证。1盎司铜的走線(xiàn)厚度通常约為(wèi)35 µm，0.5盎司铜的走線(xiàn)厚度通常约為(wèi)17 µm（对于内层而言通常如此）。

在运行射频走線(xiàn)时，你还需要考虑通孔对走線(xiàn)阻抗的影响。在GPS频率下，每个通孔都充当一个小(xiǎo)的電(diàn)感器，最终结果是每个通孔会给你的走線(xiàn)增加大约10Ω的阻抗。如果在RF路径中使用(yòng)两个过孔（例如，一个向下通到一个内层，然后一个向下通到一个元件焊盘），则会增加20Ω的阻抗失配。

為(wèi)避免这种情况，请将所有(yǒu)RF迹線(xiàn)保留在PCB的顶层（图1）。未直接连接到顶层接地回路的射频接地将需要多(duō)个通孔。（请记住，并联添加電(diàn)感器时会降低電(diàn)感。）可(kě)以通过单个过孔实现電(diàn)源接地（例如，去耦電(diàn)容），但去耦组件应尽可(kě)能(néng)靠近具有(yǒu)直接连接的顶层走線(xiàn)的组件。

此时的另一个重要注意事项是，制作基于FR4的0.25波天線(xiàn)元件（在GPS频率下）仅需要大约0.9英寸的走線(xiàn)長(cháng)度，因此任何長(cháng)接地線(xiàn)都需要通过每个过孔来“短路” 0.2英寸左右，以防止它们在GPS频率下谐振。你还应该尝试将所有(yǒu)组件首尾相连，并尽可(kě)能(néng)避免走線(xiàn)。

关键零件

LNA是GPS接收器的第一级，需要低噪声電(diàn)源才能(néng)正常工作。保证低噪声的最简单方法是為(wèi)RF提供自己的低压降稳压器（LDO）。

最常见的LDO的噪声抑制在50至70 dB附近，价格通常在30美分(fēn)以下，因此非常值得。如果参考设计中还没有(yǒu)噪声，则还需要在LNA和RF電(diàn)源之间添加一些噪声隔离（電(diàn)感和電(diàn)容）。这样可(kě)以保护LNA免受其余RF中VCO引起的（压控振荡器）噪声的影响。

在大多(duō)数环境中，SAW滤波器也是必需的。遵循参考设计中的匹配组件准则，或者从SAW筛选器提供商(shāng)那里获取匹配详细信息。尝试通过SAW滤波器的主體(tǐ)保持接地连接（即，不要在SAW下方断开地面）。

TCXO是快速定位时间（TTFF）的要求，并且初始公差至少应為(wèi)2.5 ppm。对于GPS操作，这些振荡器需要在1 Hz时域内超稳定-每秒(miǎo)1 ppb！

由于其短期稳定性会受到快速热变化的影响，因此应保护TCXO免受快速变化的热瞬态的影响。（在这里可(kě)以使用(yòng)屏蔽罩；请参阅下文(wén)。）要满足这些要求，你需要与合格的GPS TCXO提供商(shāng)合作。通用(yòng)TCXO在这里不起作用(yòng)。市场上有(yǒu)各种供应商(shāng)，包括Rakon，Kyocera和ECS。

如上所述，屏蔽可(kě)能(néng)是使TCXO与瞬态热条件隔离所必需的。发热组件（例如稳压器和功率晶體(tǐ)管）应放置在屏蔽罩的外部。诸如开关调节器，高速振荡器（GPS TCXO本身除外）和快速开关電(diàn)路之类的产生噪声的组件也应放置在屏蔽罩之外，并且通常应遠(yuǎn)离RF部分(fēn)。

在VHF和UHF RF屏蔽中，将屏蔽罩的所有(yǒu)点都连接到PCB的接地层是很(hěn)常见的。这在GPS频率上可(kě)能(néng)是一个错误，因為(wèi)GPS信号的露天波長(cháng)比UHF短得多(duō)。根据屏蔽罩的尺寸，如果有(yǒu)電(diàn)流流过该屏蔽罩，则屏蔽罩将能(néng)够在GPS频率附近产生谐振，从而导致GPS RF受到干扰或失谐。

避免这种情况的简单方法是创建一个与屏蔽罩连接的屏蔽“环”，然后在单个点通过一个電(diàn)感器将该环连接至RF接地。電(diàn)感器过滤掉任何由EMI引起的（電(diàn)磁干扰）電(diàn)流，而单点连接则防止電(diàn)流流过屏蔽罩（以及由此产生的任何谐振）。

噪声控制（系统中的其他(tā)位置）

如果你在電(diàn)路板上的其他(tā)地方碰巧有(yǒu)嘈杂的组件，那么设计干净的GPS部分(fēn)是不够的。你还需要查看其他(tā)组件正在使用(yòng)的边沿速率，时钟和频率。某些频率仅适用(yòng)于板载GPS接收器。

常见的干扰频率包括4 MHz（通常是IF干扰源）和19.2 MHz。（倍数直接落在1575.42 MHz上。）如果主微型振荡器在19.2 MHz的振荡器上运行，请查看是否可(kě)以更改為(wèi)24、25或26 MHz，这通常不会产生干扰。如果它是合适的频率，也可(kě)以在GPS时钟之外运行主麦克风。

最后，你需要寻找電(diàn)阻帽传输線(xiàn)终端，该终端将一个低欧姆電(diàn)阻（<100Ω）与一个帽串联到地，以控制阻抗并减少瞬变（图3a）。

图3

这种方法的问题在于，开关能(néng)量通过電(diàn)容器直接倾倒到接地层中。这些電(diàn)流尖峰会在接地层上产生噪声，并会产生干扰谐波。

更好的方法是计算所讨论网络上输入的電(diàn)容，然后串联插入一个電(diàn)阻器以设置边沿速率（图3b）。

要计算边缘速率，可(kě)以使用(yòng)RC充電(diàn)曲線(xiàn)。但是為(wèi)了简化起见，我将给出一个10％/ 90％切换点的近似方程式：

R = 3t / C

例如，假设我们需要一个10％/ 90％的开关点，且时钟線(xiàn)在10 MHz（周期為(wèi)100 ns）下的上升/下降时间為(wèi)10 ns，IC输入负载電(diàn)容為(wèi)10 pF。替换值，我们有(yǒu)：

R = 3t / C          

要么：R = 3x10 –8 / 1x10 –11  或：3kΩ

如果你习惯于标准的RC端接方法，则電(diàn)阻可(kě)能(néng)看起来过高，但请尝试一下。结果，你将获得更安静的板！因此，总而言之，请遵循并查看这些设计规则，你将在下一个项目中实现GPS设计方面有(yǒu)一个良好的开端。