如今,随着技术标准的快速发展,对天线性能的要求越来越高,开发时间越来越短,结构限制也越来越苛刻,从而为天线设计带来极大挑战!如何应对?本文作者给出的经验是,放弃原型设计,而选择适当的参考设计作为起点,再循序渐进地进行设计优化。通过理论、仿真和测量之间的协同设计,实现“一次成功”!

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。

(参考原文:optimizing-an-antenna-step-by-step

本文为《电子工程专辑》2023年11月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。点击申请免费杂志订阅

责编:Jimmy.zhang
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