PCB設計如何添加天線(xiàn)

2020-03-17

在PCB設計總經(jīng)常遇到添加無(wú)線(xiàn)功能的需求，這里我們以GPS模塊來(lái)講解。

有源或無(wú)源GPS天線(xiàn)的目標是什么？

“有源天線(xiàn)”具有內置的低噪聲放大器（LNA），通常會(huì )通過(guò)同軸電纜（在機箱內部或外部）連接到主印刷電路板（PCB），而無(wú)源天線(xiàn)設計沒(méi)有LNA通常安裝在天線(xiàn)元件上，通常直接安裝在PCB上。

“無(wú)源天線(xiàn)”設計更加復雜，如果未與PCB上的其他產(chǎn)生噪聲的組件正確隔離，則它們很容易受到噪聲耦合到天線(xiàn)接地層的影響。無(wú)源天線(xiàn)的設計也可能使測試變得復雜，因為需要設置和校準RF室，再輻射天線(xiàn)和GPS模擬器，以獲得一致的測試結果。

你需要哪種類(lèi)型的天線(xiàn)元件？貼片，線(xiàn)性，芯片還是其他？

通常，尺寸為15至25mm的貼片天線(xiàn)（至少側面為40mm）將在便攜式設備中提供較好性能，但這對于你的應用而言可能太大。這可能會(huì )迫使你查看較小的天線(xiàn)拓撲，例如線(xiàn)性或芯片天線(xiàn)。

但是，在芯片和貼片天線(xiàn)之間進(jìn)行選擇時(shí)要注意一件事。貼片天線(xiàn)將在其各個(gè)側面接收信號，因此在其尺寸方面將提供較好的信號性能。線(xiàn)性GPS天線(xiàn)（芯片或偶極子）通常僅沿其軸之一接收信號。這導致線(xiàn)性天線(xiàn)設計的靈敏度至少比貼片天線(xiàn)高一半（即–3 dB左右），并且大多數靈敏度可能約為貼片天線(xiàn)的25％（即–6 dB）左右。

一些較新的芯片和F折疊設計在這一領(lǐng)域顯示出一定的希望。但是，一般使用你選擇的GPS芯片組或模塊制造商提供的評估套件，使用各種天線(xiàn)拓撲來(lái)評估你的GPS靈敏度需求，以確定最適合你的設計要求的評估套件。

如果天線(xiàn)設計不是你的專(zhuān)長(cháng)，請考慮使用有源芯片或貼片天線(xiàn)模塊。這些單元提供了經(jīng)過(guò)測試的天線(xiàn)模塊，同時(shí)允許設計人員通過(guò)U.FL型連接器實(shí)現簡(jiǎn)單的GPS模擬器測試接口。

無(wú)論選擇哪種天線(xiàn)設計，都還需要評估天線(xiàn)與外殼的間距，以消除天線(xiàn)失諧的影響。制造商可以調整貼片天線(xiàn)，以解決貼片天線(xiàn)附近塑料外殼的失諧影響，但這可能會(huì )增加設計成本。另一種選擇是選擇帶寬更大的天線(xiàn)，這通常意味著(zhù)天線(xiàn)更高。

因此，你最終決定設計一個(gè)GPS芯片組解決方案，并選擇了天線(xiàn)拓撲。下一步是什么？首先，了解GPS信號強度可能會(huì )有所幫助。在信號方面，GPS傳輸（在地面上）的大信號強度約為–160 dBW（或–130 dBm），在大多數接收器設計中，它將比接收器的RF本底噪聲低約20 dB。

頻譜分析儀和其他通用RF設備將不會(huì )檢測到此信號。實(shí)際上，GPS接收器RF前端永遠不會(huì )有可跟蹤，探測或捕獲的模擬信號。檢測GPS信號存在的唯一實(shí)用方法是通過(guò)GPS接收器本身的相關(guān)過(guò)程。結果，所有GPS測試和性能指標都將包含來(lái)自GPS接收器的信號數據，這是測試過(guò)程不可或缺的一部分。

開(kāi)始設計

此時(shí)，你可能已經(jīng)從GPS芯片組供應商那里獲得了參考設計，并且希望復制它的成功。在設計規則的思想工具箱中根深蒂固的第一個(gè)概念是：GPS信號低于本底噪聲！重復一遍又一遍。

對于GPS接收器而言，通過(guò)電磁兼容性（EMC）測試的“安靜”設計可能不會(huì )那么安靜。在這個(gè)水平上，世界充滿(mǎn)了數字噪聲，因此一開(kāi)始較好的設計策略是“隔離”。它不能保證無(wú)噪音的設計，但是應該為你提供一個(gè)良好的開(kāi)端。

圖1詳細描述了簡(jiǎn)化的GPS接收器原理圖和布局，包括RF輸入（包括有源天線(xiàn)供電），LNA，一組匹配組件，表面聲波（SAW）濾波器，隔直電容，溫度控制晶體振蕩器（TCXO）和GPS RF芯片本身，都在RF屏蔽罩的保護下（稍后會(huì )詳細介紹）。

圖1

對于接地平面布局，你將需要將GPS接收器部分（或GPS射頻前端，如果是兩芯片解決方案）隔離到其自己的RF接地平面，該RF接地點(diǎn)在單個(gè)點(diǎn)連接到數字部分。這也是連接時(shí)鐘和數據線(xiàn)的首先選擇區域。然后，你將需要控制流入和流出GPS部分的電流。

通常，插入時(shí)鐘和數據路徑中的串聯(lián)電阻可以控制電流。串聯(lián)電阻極大程度地減小了信號改變狀態(tài)時(shí)出現的瞬時(shí)電流尖峰。另一個(gè)設計規則是要記住，接地是信號路徑上傳遞的能量的返回路徑。接地路徑應始終與信號路徑相等或更大。

另外，你將需要在單獨的走線(xiàn)上（而不是在電源平面上）跟蹤GPS部分的電源。該規則的原因是，當電源層和接地層相互疊置時(shí)，它們將用PCB材料作為電介質(zhì)來(lái)制造平板電容器。

電源平面上的任何噪聲都將直接耦合到接地平面，從而產(chǎn)生噪聲。你可能還需要考慮在數字設計部分的其余部分中使用這種方法，因為某些數字噪聲可能會(huì )通過(guò)單點(diǎn)接地連接到達GPS RF部分。

帶狀線(xiàn)，過(guò)孔和走線(xiàn)阻抗控制

在完成元件放置并定義并隔離了接地平面之后，你將需要運行數字，RF和接地回路走線(xiàn)。對于RF信號路徑，你需要將阻抗設置為50。這是否意味著(zhù)你需要阻抗控制的PCB？不必要。

如果你的PCB制造商允許你設置平面間距（或定義逐個(gè)批次保證的層間距），則可以自己控制。給定基于FR4的PCB材料，必要的走線(xiàn)寬度可以顯示為層間距的函數。

這些阻抗是使用“典型”阻燃劑4（FR4）介電常數4.5來(lái)計算的?；蛘?，你可以采用簡(jiǎn)單的方法，并使用許多在線(xiàn)阻抗計算器之一來(lái)進(jìn)行計算。

你仍將需要PCB介電常數值來(lái)計算走線(xiàn)寬度。由于FR4通常在4.3到4.7之間運行，因此在大多數情況下，數值4.5都可以使用，但是你應該向PCB制造商進(jìn)行驗證。1盎司銅的走線(xiàn)厚度通常約為35 μm，0.5盎司銅的走線(xiàn)厚度通常約為17 μm（對于內層而言通常如此）。

在運行射頻走線(xiàn)時(shí)，你還需要考慮通孔對走線(xiàn)阻抗的影響。在GPS頻率下，每個(gè)通孔都充當一個(gè)小的電感器，最終結果是每個(gè)通孔會(huì )給你的走線(xiàn)增加大約10Ω的阻抗。如果在RF路徑中使用兩個(gè)過(guò)孔（例如，一個(gè)向下通到一個(gè)內層，然后一個(gè)向下通到一個(gè)元件焊盤(pán)），則會(huì )增加20Ω的阻抗失配。

為避免這種情況，請將所有RF跡線(xiàn)保留在PCB的頂層（圖1）。未直接連接到頂層接地回路的射頻接地將需要多個(gè)通孔。（請記住，并聯(lián)添加電感器時(shí)會(huì )降低電感。）可以通過(guò)單個(gè)過(guò)孔實(shí)現電源接地（例如，去耦電容），但去耦組件應盡可能靠近具有直接連接的頂層走線(xiàn)的組件。

此時(shí)的另一個(gè)重要注意事項是，制作基于FR4的0.25波天線(xiàn)元件（在GPS頻率下）僅需要大約0.9英寸的走線(xiàn)長(cháng)度，因此任何長(cháng)接地線(xiàn)都需要通過(guò)每個(gè)過(guò)孔來(lái)“短路” 0.2英寸左右，以防止它們在GPS頻率下諧振。你還應該嘗試將所有組件首尾相連，并盡可能避免走線(xiàn)。

關(guān)鍵零件

LNA是GPS接收器的第一級，需要低噪聲電源才能正常工作。保證低噪聲的最簡(jiǎn)單方法是為RF提供自己的低壓降穩壓器（LDO）。

最常見(jiàn)的LDO的噪聲抑制在50至70 dB附近，價(jià)格通常在30美分以下，因此非常值得。如果參考設計中還沒(méi)有噪聲，則還需要在LNA和RF電源之間添加一些噪聲隔離（電感和電容）。這樣可以保護LNA免受其余RF中VCO引起的（壓控振蕩器）噪聲的影響。

在大多數環(huán)境中，SAW濾波器也是必需的。遵循參考設計中的匹配組件準則，或者從SAW篩選器提供商那里獲取匹配詳細信息。嘗試通過(guò)SAW濾波器的主體保持接地連接（即，不要在SAW下方斷開(kāi)地面）。

TCXO是快速定位時(shí)間（TTFF）的要求，并且初始公差至少應為2.5 ppm。對于GPS操作，這些振蕩器需要在1 Hz時(shí)域內超穩定-每秒1 ppb！

由于其短期穩定性會(huì )受到快速熱變化的影響，因此應保護TCXO免受快速變化的熱瞬態(tài)的影響。（在這里可以使用屏蔽罩；請參閱下文。）要滿(mǎn)足這些要求，你需要與合格的GPS TCXO提供商合作。通用TCXO在這里不起作用。市場(chǎng)上有各種供應商，包括Rakon，Kyocera和ECS。

如上所述，屏蔽可能是使TCXO與瞬態(tài)熱條件隔離所必需的。發(fā)熱組件（例如穩壓器和功率晶體管）應放置在屏蔽罩的外部。諸如開(kāi)關(guān)調節器，高速振蕩器（GPS TCXO本身除外）和快速開(kāi)關(guān)電路之類(lèi)的產(chǎn)生噪聲的組件也應放置在屏蔽罩之外，并且通常應遠離RF部分。

在VHF和UHF RF屏蔽中，將屏蔽罩的所有點(diǎn)都連接到PCB的接地層是很常見(jiàn)的。這在GPS頻率上可能是一個(gè)錯誤，因為GPS信號的露天波長(cháng)比UHF短得多。根據屏蔽罩的尺寸，如果有電流流過(guò)該屏蔽罩，則屏蔽罩將能夠在GPS頻率附近產(chǎn)生諧振，從而導致GPS RF受到干擾或失諧。

避免這種情況的簡(jiǎn)單方法是創(chuàng )建一個(gè)與屏蔽罩連接的屏蔽“環(huán)”，然后在單個(gè)點(diǎn)通過(guò)一個(gè)電感器將該環(huán)連接至RF接地。電感器過(guò)濾掉任何由EMI引起的（電磁干擾）電流，而單點(diǎn)連接則防止電流流過(guò)屏蔽罩（以及由此產(chǎn)生的任何諧振）。

噪聲控制（系統中的其他位置）

如果你在電路板上的其他地方碰巧有嘈雜的組件，那么設計干凈的GPS部分是不夠的。你還需要查看其他組件正在使用的邊沿速率，時(shí)鐘和頻率。某些頻率僅適用于板載GPS接收器。

常見(jiàn)的干擾頻率包括4 MHz（通常是IF干擾源）和19.2 MHz。（倍數直接落在1575.42 MHz上。）如果主微型振蕩器在19.2 MHz的振蕩器上運行，請查看是否可以更改為24、25或26 MHz，這通常不會(huì )產(chǎn)生干擾。如果它是合適的頻率，也可以在GPS時(shí)鐘之外運行主麥克風(fēng)。

最后，你需要尋找電阻帽傳輸線(xiàn)終端，該終端將一個(gè)低歐姆電阻（<100Ω）與一個(gè)帽串聯(lián)到地，以控制阻抗并減少瞬變（圖3a）。

圖3

這種方法的問(wèn)題在于，開(kāi)關(guān)能量通過(guò)電容器直接傾倒到接地層中。這些電流尖峰會(huì )在接地層上產(chǎn)生噪聲，并會(huì )產(chǎn)生干擾諧波。

更好的方法是計算所討論網(wǎng)絡(luò )上輸入的電容，然后串聯(lián)插入一個(gè)電阻器以設置邊沿速率（圖3b）。

要計算邊緣速率，可以使用RC充電曲線(xiàn)。但是為了簡(jiǎn)化起見(jiàn)，我將給出一個(gè)10％/ 90％切換點(diǎn)的近似方程式：

R = 3t / C

例如，假設我們需要一個(gè)10％/ 90％的開(kāi)關(guān)點(diǎn)，且時(shí)鐘線(xiàn)在10 MHz（周期為100 ns）下的上升/下降時(shí)間為10 ns，IC輸入負載電容為10 pF。替換值，我們有：

R = 3t / C          

要么：R = 3x10 –8 / 1x10 –11  或：3kΩ

如果你習慣于標準的RC端接方法，則電阻可能看起來(lái)過(guò)高，但請嘗試一下。結果，你將獲得更安靜的板！因此，總而言之，請遵循并查看這些設計規則，你將在下一個(gè)項目中實(shí)現GPS設計方面有一個(gè)良好的開(kāi)端。