天线设计指南：打造高效无线通讯的关键要素

设计和优化天线并非易事。如果要设计工业物联网天线，可以使用参考设计作为起点。问题是，如果将其应用到最终产品设计，能通过改变什么参数来优化设计呢？

人们可能认为，对经验丰富的设计师来说，设计和优化天线可能会很容易。毕竟，他们已是专家，并在工作过程中，目睹过或亲自经历过不少失败，并吸取过不少经验教训。然而，技术标准一直在快速升级，年轻的设计师根本没有犯错的经验，而且还要求他们在更短的时间内设计产品上市，并保证设计“一次成功”，这如何实现呢？解决方案是利用EDA软件！因为在一定程度上，电子设计是可以利用软件自动实现的。

本文讨论一款工业物联网产品的蓝牙天线设计，设计目标是将蓝牙天线集成到无显示器的产品中，并利用智能手机上的应用程序来实现对设备的各种配置。实际上这也是一项常用设计，设计概念同样适用于其他各类不同产品。

通过网上搜索，找到了Cypress半导体的一款蓝牙天线参考设计。不过其说明书中已注明，该设计仅供参考，并不能用作实际产品模块设计。因为它只是为实验室工作而设计的，目的是为软件工程师搭建开发平台，使他们在PCB设计出来之前，就能够同步进行软件开发。

由于原理图、BOM和PCB布局等设计数据，均以Cadence Allegro格式提供，因此可将其作为优化的起点。不过该参考设计在实验室中用的是大连接器。

故该设计有两个目标，分别是天线小型化和天线性能优化。当利用刚柔PCB来替代大连接器时，可以实现天线结构的小型化。但这会对天线性能产生什么影响呢？对此进行了一系列“假设”分析，以了解这些变化的影响，并提出实现这两个目标的正确策略。

微波设计数据的导入和设置非常简单。端口是以自动方式设置的，设计师必须输入一些用于网表的参数。另外，还输入了所选PCB的实际材料值，包括合适的厚度和介电常数值（FR-4：标准Isola 370HR，εr=4，0）。

在初次分析中，重点研究了折式倒置型F天线的长度、以及芯片和天线之间的阻抗匹配网络。

根据2.45GHz设计频率上的天线回波损耗，通过各种天线长度的组合扫频分析，得出了天线最佳长度。

图1：不同天线长度的回波损耗。（来源：Cadence AWR微波设计平台）

通过多重分析，并结合元件库中可用的离散元器件，再结合所选用的PCB材料的参数值，重新进行了自动扫频分析，结果显示，阻抗匹配网络的性能得到了提高。不难发现，仅仅通过上述这些分析改进，天线性能就提升了2dB。不过，此时还没有考虑小型化。

图2：阻抗匹配网络的自动优化。

由于天线设计中需要足够的接地，故天线小型化的确是一个问题。如果减小外形结构，则PCB上的接地平面将变小。在参考设计中，接地系统是由两个平面、几个过孔和连接到地的一根外部电缆共同组成的。

通过对安装天线和电路的一小块PCB进行分析，结果发现，刚性区域的接地不足，天线性能达不到预期指标，因此需要在PCB的柔性部分提供额外的接地区域。如果将其作为柔性零件上的实体平面，则会非常容易且快速地完成仿真。但是，如果为了在不切断铜箔的情况下实现折弯而采用影线结构，则网格大小和仿真时间都将大幅增加。

但是，通过各种平面形状和尺寸的比较表明，可以在不增加误差的情况下，简化“假设”分析结构，不过，最终仿真时应该尽可能地精确。

在另一次扫频分析中，分析了天线塑料外壳与天线之间的最小距离。在该案例中，发现当间距大于10mm后，将不再对天线性能产生影响。

下一个问题是，当通过在2D中设计不同的形状或在3D中通过折叠和折弯来改变柔性部件的形状时，将会产生多大影响？在确定了产品中的安装位置，并确定了柔性部件的长度和形状后，下一个问题是如何安装PCB的刚性部件。

在对螺钉位置的扫频分析中表明，当螺钉安装在最佳机械位置时，也对天线性能产生了非常大的影响。为了寻找合适的替代安装方式，首选卡扣式解决方案。这将需要对PCB进行切割。

图3：改进PCB形状后的电流密度分布。

通过PCB中电流密度的可视化显示，当各角或安装孔为90°切口时，则在各角处的电流较大，这将导致EMI问题。为了最大限度地减少EMI，还需要再进行一些优化更改。

最终结果是，将天线尺寸减小到了参考设计原始尺寸的53%，不仅带宽更宽，还将PCB天线性能提高了6dB。

由此得出的结论是，当对天线进行小型化时，天线设计就变得非常严苛，此时必须注意机械安装方面的各种限制，如安装孔、间距和外壳材料以及EMI问题。最后，设计应该是“一次成功”，与重新设计一个额外的原型相比，上市时间更短。

从设计到测量验证的协作实现

Nordcad与FlowCAD共同设计了一个最先进的天线放大器和一个倒置型F天线模块。原理图输入和PCB布局由Cadence的Allegro PCB Designer完成。

图4：为了对PCB设计数据进行RF仿真，设计师们将所有部件（包括天线放大器、天线设计和阻抗匹配网络）都加载到了Cadence的AWR微波设计平台上。

通过对组件经过优化，最终实现了阻抗匹配。利用R&S的矢量网络分析仪对实体设计进行了测量，并与仿真结果进行了比较。

这一专业协作和团队合作的例子证明，理论、仿真和测量之间的相互协作非常好，能够实现高效和可预测的射频设计。

审核编辑：黄飞