将芯片天线集成到 PCB 中：了解天线匹配

天线不像其他组件。它们的行为更难预测，因为天线会在带有评估板原型的测试实验室中以某种方式执行，然后在终集成到设备中时表现不同。性能差异取决于天线周围的其他组件和附近可能吸收天线信号或导致其以不同方式反射的材料。这意味着设计无线设备以靠近身体工作尤其困难——例如健身设备或医疗设备或其他可穿戴电子设备——因为人体会吸收信号。将天线集成到具有金属外壳的设备中也具有挑战性，因为金属会对信号产生阴影，就像树木阻挡阳光照射地面一样。

我们还应该提到，天线将在自由空间或测试条件下以一种方式运行，而当它嵌入到设备中时则不同。

如果设计使用嵌入式天线，那么当天线需要与设备中的其他 RF 组件匹配时，创建设计时就会出现一个问题，以改进其性能并确保天线以正确的频率辐射, 并在指定范围内执行。匹配过程还没有被很好地理解，并且是创建无线设计的更具挑战性的方面之一。

本文解释了此过程中的步骤。

地平面

大多数嵌入式天线被设计为反射接地平面（这称为互易性），并且接地平面需要一定的长度才能使天线正常工作。这可能是初考虑 PCB 设计和布局的一个因素，因为设计必须满足天线的接地平面要求，并留出足够的空间和长度供其运行。尽管有些天线可能不需要接地层，但这是选择嵌入式天线时要考虑的关键特性。

对于接地平面相关的天线，PCB 实际上成为天线的接地部分。这意味着 PCB 的较低层可能会影响天线的性能，因此在 PCB 叠层中不要将电池或 LCD 放置在天线附近很重要。

地平面尺寸还应允许用于与设备通信的任何电线以及为设备供电的电池或电源线。如果使用正确的接地平面尺寸，这将确保设计允许足够的空间，并且连接到设备的电缆和电池对天线的影响较小。

天线效率

天线性能是根据效率来衡量的。这是一种现象，附近的其他物体改变了天线辐射的电磁场，并导致天线的性能降低，并且可能不符合设计的规定。效率考虑了天线的匹配程度，以便将无线电传输到天线的所有能量传输，以及天线迹线设计捕获该能量的程度，使其能够从设备辐射出去。

电压驻波比 (VSWR)

电压驻波比或 VSWR 是回波损耗的测量值，显示有多少能量通过传输线传输或沿传输线反射回来，这两者都会对天线的性能产生不利影响。

VSWR 是一个重要的值，了解它有助于构建成功的无线设计。如果在大多数情况下 VSWR 可以保持较低（至少在 2:1 和 3:1 之间），则有助于补偿天线结构中较低的效率。低 VSWR 意味着天线正在接收更多功率，这是更可取的。小于 2 的 VSWR 值通常被认为表示天线匹配良好。

传输线

传输线是承载信号进出天线的铜迹线。正是在这条走线上，如果设计不当，可能会存在非常高的电阻，并且可能会丢失信号，甚至高达 50%，这是由于耦合到地面而不是传输到天线的能量造成的. 天线走线的阻抗值为 50 欧姆，设计中的其他射频元件（如无线电）也应设置为 50 欧姆。

传输射频能量进出天线的传输线是决定无线性能的关键因素。优化不佳的传输线可能导致无线性能下降多达 50%。理想情况下，传输线将 100% 的功率传送到天线，尽管在现实中这很难实现。这部分是由于所用材料的吸收损耗、走线的急剧弯曲以及阻抗不匹配导致的反射能量。

应计算迹线和 PCB 堆叠的尺寸和长度，以尽可能降低 VSWR。

计算天线阻抗的旧方法是使用史密斯圆图，它显示了与频率相关的阻抗的正确值。圆心代表接收 100% 功率的完美匹配天线，外圈显示反射系数，所有功率都反射回源。

图 1 显示了史密斯圆图的示例。（：Antenova Ltd）

如今，有软件计算器可以根据 PCB 厚度、铜厚度和 PCB 基板的介电常数进行计算，从而即时给出 GCPW 结果。PCB 的厚度和介电常数都对限制天线的回波损耗起着关键作用。在www.antenova.com上有一个的软件工具  。

这里值得一提的是，终的 PCB 必须使用与设计开发期间使用的材料相同的材料制造——否则差异会改变天线的阻抗值，并且天线可能无法达到预期的性能。

什么是天线匹配？

天线匹配是调整设计以确保天线（芯片或模块）的阻抗与 PCB 上的其他射频电路正确对齐的过程。目的是创建一个阻抗尽可能接近 50 欧姆的设计，以创建一个性能良好的天线，请记住，如果 PCB 或外壳上附近的其他组件引起天线频率的变化，天线的频率可能会发生变化干涉。

一种方法是在设计中添加阻抗匹配电路。Antenova 推荐了一个 pi (TT) 匹配电路，可以对天线进行调谐和优化。pi 匹配电路可能由三个组件（电感器和电容器）组成，用于单频段天线，或更多组件用于多频段天线。这是一种有用的方法来调整天线以在设计中发挥更好的性能，尤其是在要求天线在不太理想的位置（例如手持或佩戴在身体上）运行的现实条件下。

对于位于 PCB 上的嵌入式天线，通常建议使用接地共面波导 (GCPW)。这意味着无需使用过孔连接到 PCB 下侧的组件，这是更可取的，因为过孔会增加传输线的损耗或增加匹配组件的电感，从而导致调谐值不准确。

GCPW 是计算嵌入式天线迹线的传统方法。它显示了地平面和元件层之间的高度，以维持 50 欧姆的系统。

GCPW 在顶层以所谓的接地-信号-接地配置进行配置。此外，信号下方还有一个额外的接地层，可进一步隔离信号。

图 2 显示了接地共面波导的横截面。（：Antenova Ltd）

这种配置非常适合高频应用。GSG 配置提供良好的干扰隔离，并且在优化设计时通常可限度地减少辐射损失。

这种安排的另一个优点是它为设计人员提供了灵活性。传输线的尺寸和物理布局将定义传输线的特性阻抗。有不少于四个尺寸可供定制，设计人员在匹配阻抗方面有很多选择。

图 3 显示了共面波导的四个组件。（：Antenova Ltd）

CPW 有四个不同的部分，它们是：

导电条周围地平面隔离差距介电基板层

设计注意事项

GCPW 需要一致和仔细的设计才能按预期运行。与其他类型的传输线一样，它们的尺寸和长度是关键。传输线越长，信号沿线传输时受到的干扰就越大。因此，保持线路长度不超过波长的 10%非常重要，尤其是在针对高频应用进行设计时。

使用共面波导时，隔离间隙的宽度沿线路的整个长度保持一致是很重要的。间隙还必须比周围的接地平面更细，以避免性能下降。这些间隙的宽度可以改变特性阻抗，因此保持这些线的均匀性可以防止阻抗不匹配。，介电基板层的厚度应为导电条宽度的两倍。

图 4 显示了 GCPW 的布局。（：Antenova Ltd）

GCPW优势

隔离导体减少了反射。在高频下表现良好。可以 通过调整隔离间隙和接地平面的宽度来调整阻抗。兼容一系列高频技术，包括 5G 的新无线电。为 PCB 选择的材料对损耗的影响较小。

当可能存在干扰、成本不那么重要时，或者在超紧凑、微型化设计中，GCPW 是一个不错的选择。虽然它们比微带线等替代方案更昂贵，但它们在大多数情况下的性能要强得多。对于更大的应用，同轴电缆可能是更好的选择，因为它具有成本效益、易用性、低损耗和避免干扰的能力。然而，对于无法使用同轴电缆的小型紧凑型系统，GCPW 仍然表现出色。

当设计用于 PCB 尺寸受限的小型设备，并且其他组件放置在靠近天线的位置时，正确匹配天线以确保良好的 RF 性能变得更加重要。

随着设备越来越小的趋势，PCB 上的空间、地平面和其他组件的接近度问题确实变得更具挑战性。对于更小或更复杂的设计，利用 RF 的服务来帮助进行天线测试和匹配可能会更容易。

一旦设备开始发送和接收信号，建议在测量辐射功率时将匹配组件值上下调整一两个值，以优化尽可能的匹配。进行“有源”调谐的原因是在没有测试同轴电缆的情况下优化无线电和天线之间迹线的阻抗。