PCB设计如何添加天线

2020-03-17

在PCB设计总经常遇到添加无线功能的需求，这里我们以GPS模块来讲解。

有源或无源GPS天线的目标是什么？

“有源天线”具有内置的低噪声放大器（LNA），通常会通过同轴电缆（在机箱内部或外部）连接到主印刷电路板（PCB），而无源天线设计没有LNA通常安装在天线元件上，通常直接安装在PCB上。

“无源天线”设计更加复杂，如果未与PCB上的其他产生噪声的组件正确隔离，则它们很容易受到噪声耦合到天线接地层的影响。无源天线的设计也可能使测试变得复杂，因为需要设置和校准RF室，再辐射天线和GPS模拟器，以获得一致的测试结果。

你需要哪种类型的天线元件？贴片，线性，芯片还是其他？

通常，尺寸为15至25mm的贴片天线（至少侧面为40mm）将在便携式设备中提供较好性能，但这对于你的应用而言可能太大。这可能会迫使你查看较小的天线拓扑，例如线性或芯片天线。

但是，在芯片和贴片天线之间进行选择时要注意一件事。贴片天线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。线性GPS天线（芯片或偶极子）通常仅沿其轴之一接收信号。这导致线性天线设计的灵敏度至少比贴片天线高一半（即–3 dB左右），并且大多数灵敏度可能约为贴片天线的25％（即–6 dB）左右。

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

如果天线设计不是你的专长，请考虑使用有源芯片或贴片天线模块。这些单元提供了经过测试的天线模块，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。

无论选择哪种天线设计，都还需要评估天线与外壳的间距，以消除天线失谐的影响。制造商可以调整贴片天线，以解决贴片天线附近塑料外壳的失谐影响，但这可能会增加设计成本。另一种选择是选择带宽更大的天线，这通常意味着天线更高。

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

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

开始设计

此时，你可能已经从GPS芯片组供应商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！重复一遍又一遍。

对于GPS接收器而言，通过电磁兼容性（EMC）测试的“安静”设计可能不会那么安静。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”。它不能保证无噪音的设计，但是应该为你提供一个良好的开端。

图1详细描述了简化的GPS接收器原理图和布局，包括RF输入（包括有源天线供电），LNA，一组匹配组件，表面声波（SAW）滤波器，隔直电容，温度控制晶体振荡器（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（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。这也是连接时钟和数据线的首先选择区域。然后，你将需要控制流入和流出GPS部分的电流。

通常，插入时钟和数据路径中的串联电阻可以控制电流。串联电阻极大程度地减小了信号改变状态时出现的瞬时电流尖峰。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线上（而不是在电源平面上）跟踪GPS部分的电源。该规则的原因是，当电源层和接地层相互叠置时，它们将用PCB材料作为电介质来制造平板电容器。

电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。你可能还需要考虑在数字设计部分的其余部分中使用这种方法，因为某些数字噪声可能会通过单点接地连接到达GPS RF部分。

带状线，过孔和走线阻抗控制

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和接地回路走线。对于RF信号路径，你需要将阻抗设置为50。这是否意味着你需要阻抗控制的PCB？不必要。

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

这些阻抗是使用“典型”阻燃剂4（FR4）介电常数4.5来计算的。或者，你可以采用简单的方法，并使用许多在线阻抗计算器之一来进行计算。

你仍将需要PCB介电常数值来计算走线宽度。由于FR4通常在4.3到4.7之间运行，因此在大多数情况下，数值4.5都可以使用，但是你应该向PCB制造商进行验证。1盎司铜的走线厚度通常约为35 µm，0.5盎司铜的走线厚度通常约为17 µm（对于内层而言通常如此）。

在运行射频走线时，你还需要考虑通孔对走线阻抗的影响。在GPS频率下，每个通孔都充当一个小的电感器，最终结果是每个通孔会给你的走线增加大约10Ω的阻抗。如果在RF路径中使用两个过孔（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。

为避免这种情况，请将所有RF迹线保留在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个通孔。（请记住，并联添加电感器时会降低电感。）可以通过单个过孔实现电源接地（例如，去耦电容），但去耦组件应尽可能靠近具有直接连接的顶层走线的组件。

此时的另一个重要注意事项是，制作基于FR4的0.25波天线元件（在GPS频率下）仅需要大约0.9英寸的走线长度，因此任何长接地线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组件首尾相连，并尽可能避免走线。

关键零件

LNA是GPS接收器的第一级，需要低噪声电源才能正常工作。保证低噪声的最简单方法是为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美分以下，因此非常值得。如果参考设计中还没有噪声，则还需要在LNA和RF电源之间添加一些噪声隔离（电感和电容）。这样可以保护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筛选器提供商那里获取匹配详细信息。尝试通过SAW滤波器的主体保持接地连接（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为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。（在这里可以使用屏蔽罩；请参阅下文。）要满足这些要求，你需要与合格的GPS TCXO提供商合作。通用TCXO在这里不起作用。市场上有各种供应商，包括Rakon，Kyocera和ECS。

如上所述，屏蔽可能是使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体管）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）和快速开关电路之类的产生噪声的组件也应放置在屏蔽罩之外，并且通常应远离RF部分。

在VHF和UHF RF屏蔽中，将屏蔽罩的所有点都连接到PCB的接地层是很常见的。这在GPS频率上可能是一个错误，因为GPS信号的露天波长比UHF短得多。根据屏蔽罩的尺寸，如果有电流流过该屏蔽罩，则屏蔽罩将能够在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电感器将该环连接至RF接地。电感器过滤掉任何由EMI引起的（电磁干扰）电流，而单点连接则防止电流流过屏蔽罩（以及由此产生的任何谐振）。

噪声控制（系统中的其他位置）

如果你在电路板上的其他地方碰巧有嘈杂的组件，那么设计干净的GPS部分是不够的。你还需要查看其他组件正在使用的边沿速率，时钟和频率。某些频率仅适用于板载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，请查看是否可以更改为24、25或26 MHz，这通常不会产生干扰。如果它是合适的频率，也可以在GPS时钟之外运行主麦克风。

最后，你需要寻找电阻帽传输线终端，该终端将一个低欧姆电阻（<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，开关能量通过电容器直接倾倒到接地层中。这些电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电容，然后串联插入一个电阻器以设置边沿速率（图3b）。

要计算边缘速率，可以使用RC充电曲线。但是为了简化起见，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，且时钟线在10 MHz（周期为100 ns）下的上升/下降时间为10 ns，IC输入负载电容为10 pF。替换值，我们有：

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，则电阻可能看起来过高，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设计方面有一个良好的开端。