硬件工程師速看！4G模組：Air780EPM 天線設(shè)計(jì)說(shuō)明

在實(shí)際應(yīng)用中，模組的天線設(shè)計(jì)往往成為工程師面臨的“隱形瓶頸”——天線匹配不當(dāng)可能導(dǎo)致信號(hào)衰減、頻段覆蓋不全，甚至引發(fā)設(shè)備通信中斷。

Air700ECQ/EAQ/EMQ模組屬于Cat.1 bis R13架構(gòu)，天線架構(gòu)精簡(jiǎn)為單天線架構(gòu)，去掉了分集接收天線，因此只需要一根天線。

知識(shí)點(diǎn)：

Cat.1 bis相對(duì)于Cat.1的區(qū)別是，后者為兩根天線(一根主天線，一根分集天線)；Cat.1 bis在設(shè)計(jì)和應(yīng)用上更簡(jiǎn)單，更符合低速物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景。

一、天線的阻抗控制和匹配

由于Air700ECQ/EAQ/EMQ射頻天線傳輸?shù)男盘?hào)頻率區(qū)間，從824MHz到2655MHz不等，屬于高速模擬信號(hào)，因此對(duì)于天線電路設(shè)計(jì)，主要目的是：

保證射頻信號(hào)無(wú)損的從模組天線管腳傳輸至4G天線，也就是關(guān)注于模組和4G天線的射頻PCB傳輸線以及匹配電路。

整個(gè)射頻傳輸鏈路如下所示：

4G模組---->PCB傳輸線----->天線匹配---->PCB傳輸線---->射頻連接器---->同軸傳輸線---->4G天線

特別說(shuō)明：

有些產(chǎn)品可能不需要“射頻連接器”和“同軸傳輸線”；本文僅以需要“射頻連接器”和“同軸傳輸線”的情況進(jìn)行說(shuō)明。

1. 阻抗控制:

根據(jù)傳輸線理論，負(fù)載端的傳輸功率為：

其中Γ為反射系數(shù)；Z0為傳輸線特征阻抗；V0為傳輸電壓。

由此可見(jiàn)：

當(dāng)反射系數(shù)為0，即負(fù)載匹配時(shí)候，傳送到負(fù)載的功率最大；

當(dāng)反射系數(shù)為1，即負(fù)載失配時(shí)候，傳送到負(fù)載的功率為0。

因此，為了保證盡可能保證射頻功率無(wú)損的傳到4G天線，則必須保證PCB傳輸線的反射系數(shù)盡量接近0。

而反射系數(shù)為：

其中Γ為反射系數(shù)；Z0為傳輸線特征阻抗；ZL負(fù)載端特征阻抗。

負(fù)載阻抗ZL=Z0，根據(jù)反射系數(shù)的公式，分子為0，所以，反射系數(shù)為0，表示無(wú)反射；

當(dāng)負(fù)載開(kāi)路的時(shí)候，即負(fù)載阻抗無(wú)窮大，分子分母上的Z0可以忽略不計(jì)，所以，反射系數(shù)為1。

對(duì)于射頻系統(tǒng)的行業(yè)規(guī)范，射頻器件輸出阻抗和輸入阻抗均是按照50歐姆特征阻抗來(lái)設(shè)計(jì)。因此，在我們?cè)O(shè)計(jì)PCB傳輸線時(shí)，也要將傳輸線特征阻抗控制在50歐姆附近才能保證反射系數(shù)最小。

2. 匹配網(wǎng)絡(luò)：

由于模組射頻管腳輸出阻抗和4G天輸入阻抗由于各種原因，無(wú)法完全做到精確50歐姆特征阻抗，總是會(huì)有容抗的成分，因此就需要增加匹配網(wǎng)絡(luò)來(lái)調(diào)整信源和負(fù)載為純組性，即負(fù)載阻抗與信源阻抗?jié)M足共軛匹配時(shí)，能夠使負(fù)載得到最大功率。

通常在4G模組天線端預(yù)留Π型匹配網(wǎng)絡(luò)，以便在4G天線調(diào)試時(shí)能夠給與足夠的匹配調(diào)整空間。

二、天線傳輸線的參考設(shè)計(jì)

雖然天線電路原理設(shè)計(jì)并不復(fù)雜，但天線走線的PCB設(shè)計(jì)非常重要——直接影響整個(gè)系統(tǒng)的射頻指標(biāo)性能。

模組天線電路的參考設(shè)計(jì)如下：

注意事項(xiàng)：

連接到模組RF天線焊盤的RF走線必須使用微帶線或者其他類型的RF走線，阻抗必須控制在50歐姆左右；

在靠近天線的地方預(yù)留Π型匹配電路，兩顆電容默認(rèn)不貼片，電阻默認(rèn)貼0歐姆，待天線廠調(diào)試好天線以后再貼上實(shí)際調(diào)試的匹配電路；

Π型匹配電路靠近天線放置。

三、推薦的PCB堆疊和線寬方案

一般情況下，射頻信號(hào)線的阻抗由材料的介電常數(shù)、走線寬度(W)、對(duì)地間隙(S)、以及參考地平面的高度(H)決定，因此天線走線需要做50歐姆特征阻抗控制，需要對(duì)本文前面所述的幾個(gè)參數(shù)做精確控制。

PCB特性阻抗的控制通常采用：

微帶線、共面波導(dǎo)兩種方式。

1. 微帶線：

微帶線是一根帶狀導(dǎo)線，指只有一邊存在參考平面的傳輸線，頂部和側(cè)邊都曝置于空氣中（也可上敷涂覆層），位于絕緣常數(shù)Er線路板的表面之上，以電源或接地層為參考。

如下圖所示：

注意事項(xiàng)：

通常在PCB設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)在表面大范圍覆銅，如果采用微帶線做阻抗控制，要注意射頻走線要與周圍覆銅的地保持3倍線寬以上，避免周圍的地對(duì)阻抗的影響。

2. 共面波導(dǎo)：

共面波導(dǎo)是將兩個(gè)平行的導(dǎo)體與一個(gè)介質(zhì)隔離開(kāi)來(lái)，它們位于同一平面內(nèi)，而電場(chǎng)則穿過(guò)介質(zhì)。

相對(duì)于微帶線和帶狀線，共面波導(dǎo)的特點(diǎn)是：

結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、寬帶、低損耗、易于與其他微波元器件進(jìn)行集成等優(yōu)點(diǎn)，適用于集成電路中高頻段的傳輸。

共面波導(dǎo)需要精確控制射頻走線與周圍地銅箔的距離，相對(duì)微帶線來(lái)說(shuō)控制難度相對(duì)較高。

▼ 微帶線與共面波導(dǎo)的選擇 ▼

雖然微帶線和共面波導(dǎo)模型理論上都能做到傳輸線的50歐姆阻抗控制，但是在實(shí)際的設(shè)計(jì)中還要考慮阻抗控制后的線寬能否具備實(shí)際可操作。

例如：

在用2層PCB板，1.2mm板厚情況下，用微帶線模型算出的50歐姆理論線寬為77mil。

這個(gè)線寬在實(shí)際設(shè)計(jì)中根本無(wú)法設(shè)計(jì)，即不具備可操作性。

同樣的用共面波導(dǎo)模型，在距離兩邊地銅箔4mil距離情況下，線寬僅13.8mil就能達(dá)到50歐姆阻抗。顯然，這種情況下共面波導(dǎo)模型更符合實(shí)際設(shè)計(jì)要求。

常用的PCB 50歐姆阻抗控制堆疊方案：

01）二層PCB板共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，下方參考地為L(zhǎng)2層：

2層板1.0mm板厚：共面波導(dǎo)

阻抗線到銅箔距離 6mil，線寬 21.77mil；

2層板1.2mm板厚：共面波導(dǎo)

阻抗線到銅箔距離6mil，線寬24.11mil；

2層板1.6mm板厚：共面波導(dǎo)

阻抗線到銅箔距離6mil，線寬25.42mil；

02）四層PCB板共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，下方參考地為L(zhǎng)3層：

上圖需要注意多層板結(jié)構(gòu)參考地和阻抗線之間的層，需要將阻抗線投影區(qū)下方挖掉5W線寬的覆銅如上圖L2層。

4層板1.2mm板厚：共面波導(dǎo)

阻抗線到銅箔距離6mil，線寬24.02mil；注意L2層阻抗線下方覆銅挖空處理。

4層板1.6mm板厚：共面波導(dǎo)

阻抗線到銅箔距離6mil，線寬26.43mil；注意L2層阻抗線下方覆銅挖空處理。

03）阻抗控制計(jì)算方式：

下面是立創(chuàng)阻抗計(jì)算器網(wǎng)址，如果有其他線寬和疊構(gòu)需求，請(qǐng)自行計(jì)算；投板的時(shí)候請(qǐng)將需要阻抗控制的線段高亮截圖給板廠，要求板廠按要求進(jìn)行微調(diào)管控。

嘉立創(chuàng)阻抗計(jì)算神器：

https://tools.jlc.com/jlcTools/index.html#/impedanceCalculateNew

四、天線傳輸線設(shè)計(jì)規(guī)則

在射頻天線接口的電路設(shè)計(jì)中，為了確保射頻信號(hào)的良好性能與可靠性，建議遵循以下設(shè)計(jì)原則：

傳輸線整段走線都要進(jìn)行50歐姆阻抗控制；

與射頻引腳相鄰的地引腳不做熱焊盤，要與地充分接觸；

射頻引腳到射頻連接器之間的距離應(yīng)盡量短，同時(shí)避免直角走線，建議走線夾角保持為135°；

建立連接器件的封裝時(shí)，信號(hào)腳需與地保持距離；

射頻信號(hào)線參考的地平面應(yīng)完整；在信號(hào)線和參考地周邊增加一定量的地孔可以幫助提升射頻性能；

射頻信號(hào)線必須遠(yuǎn)離干擾源，避免和相鄰層的任何信號(hào)線交叉或平行。

五、你一定要聽(tīng)的幾句忠告

天線設(shè)計(jì)，是4G模組應(yīng)用中最容易踩坑的地方。

這也是所謂的行業(yè)內(nèi)專業(yè)人員和行業(yè)外非專業(yè)人員，最大的經(jīng)驗(yàn)差別。

天線效果差異：

天線設(shè)計(jì)的差，信號(hào)質(zhì)量就差，在基站信號(hào)好的地方體驗(yàn)不出來(lái)差別，最多就是功耗大一點(diǎn)(信號(hào)越差，發(fā)射功率越大，電流就越大，耗電量就越多)。

但在基站信號(hào)不那么好的地方，就是能聯(lián)網(wǎng)和不能聯(lián)網(wǎng)的區(qū)別，體驗(yàn)一個(gè)天上一個(gè)地下。

如果使用的是外置天線：

比如棒狀天線，這時(shí)只需要內(nèi)部PCB走線就可以，本文已經(jīng)做了詳細(xì)描述和提醒。

如果使用的是內(nèi)置天線：

天線的性能不僅與內(nèi)部PCB走線有關(guān)系，也與外殼的材質(zhì)、天線在外殼內(nèi)的空間以及天線周邊的器件干擾等等都有關(guān)系，需要找專業(yè)的天線廠進(jìn)行評(píng)估，尤其是在設(shè)計(jì)之初就要同天線廠進(jìn)行溝通，以免后續(xù)生米做成熟飯?jiān)斐蔁o(wú)法挽回的損失。

Air700ECQ支持Wi-Fi Scan（注：Air700EAQ/EMQ不支持），跟4G共用天線，不需要單獨(dú)針對(duì)Wi-Fi Scan功能進(jìn)行天線調(diào)試。

雖然本文講了很多關(guān)于天線方面的專業(yè)知識(shí)，但是對(duì)于大多數(shù)用戶來(lái)說(shuō)是不需要自己深刻掌握，只需要知道天線常識(shí)的來(lái)龍去脈就可以了。大多數(shù)時(shí)候，只需要找專業(yè)的天線廠幫忙搞定即可。

今天的內(nèi)容就分享到這里了~

審核編輯 黃宇