对于用于可穿戴嵌入式设备，医疗嵌入式设备和跟踪器等消费类应用以及照明，安全和建筑物管理等工业应用的小型无线嵌入式设备的需求正在增长。随之而来的是，较小的电子嵌入式设备将需要较小的PCB，这意味着天线必须在较短的接地平面上工作，并且如果它们是电池供电的，则功率也是一个因素-因为该嵌入式设备不能消耗太多功率。

对于产品设计师而言，这是一个很大的挑战。在将新产品用于运营商网络之前，需要将最终设计提交给正式的网络并获得政府的批准，如果天线工作不正常，或者嵌入式设备通过以下方式产生无线电干扰，则设计很可能会失败：散发来自嵌入式设备的噪音。随之而来的是，要获得较小型号产品的运营商认可就更加困难了，因为要获得足以通过发射和接收最低电平的无线性能就更加困难。在美国，设计必须满足严格的标准才能获得网络批准，这尤其如此。

事实上，要使电小型天线工作在低于1GHz的频率下，理想情况下，它们需要100mm或更大的接地平面长度才能获得良好的性能和效率。如果天线效率下降，将导致功耗问题，并导致成品获得网络认可。这意味着产品设计人员面临的挑战是创建一种设计，在该设计中要有足够的空间来使天线正常工作，并且仍将所有组件安装在较小的PCB中。

对于工作于低于1GHz频率的天线尤其如此，这些天线通常用于IoT嵌入式设备，产品跟踪器，健身嵌入式设备和其他类似小型嵌入式设备之类的产品。

靠近人体使用的可穿戴嵌入式设备和医疗嵌入式设备提出了特殊的挑战。人体会限制RF信号，因此设计人员应考虑天线的辐射方式，并确保以不会干扰人体的方式放置天线。

可穿戴嵌入式设备可小至50mm甚至更小。其中一些可能会使用多个天线！

有几个因素会影响小型嵌入式设备中天线的性能，本文将依次解决这些问题。第一个也是最重要的是接地层，在许多情况下，接地层对于天线的辐射至关重要。但这还不是全部，设计人员应该正确放置天线，并考虑其他组件以及这些组件相对于天线的位置，以确保天线路径中没有任何嘈杂或金属感。最后，该嵌入式设备的外壳可能会有所不同，我们将概述要避免的主要材料。

嵌入式天线–工作原理

偶极天线使用两个辐射器进行操作，但是嵌入式芯片天线只有一个。对于嵌入式天线，PCB的表面成为第二辐射器。这解释了为什么如果PCB的长度太短，天线将无法有效工作。

天线的谐振与其波长直接相关。天线必须以整数倍或波长的整数倍谐振，最短的谐振长度为波长的四分之一。

916MHz频率下的全波天线大约需要327mm长，这对于嵌入式天线而言并不实用，但在87.2mm的地平面长度上，四分之一波版本才是实用的。这将盘绕在隐藏在微型表面安装芯片天线中的铜走线和层上。

天线设计人员通过使用接地平面作为半波偶极子的缺失部分来解决此限制，因此四分之一波单极天线会向接地平面辐射。因此，小型无线嵌入式设备中最流行的嵌入式天线往往是四分之一波单极天线。

地平面长度

为了使嵌入式天线有效工作，接地平面在其最低频率下必须至少为天线的四分之一波长。因此，在较低的频率下，接地平面为100mm或更大时，设计会容易得多。

嵌入式天线的性能与其接地平面的长度直接相关，因此，对于较小的设计，允许接地平面正确的长度是最大的挑战。

图1显示了接地平面长度和天线效率之间的权衡，从左侧的794 MHz到右侧的2.69 GHz。

这些结果清楚地表明，对于频率低于1GHz的小型接地层，天线效率如何下降。对于在791-960MHz，1710-2170MHz，2300-1400MHz和2500-2969MHz频率下运行的3G / 4G芯片天线获得了这些结果。

通常，对于频率低于1GHz的嵌入式设备，接地层需要为100mm或更大。在美国，4G频率使用的频段低至698MHz或什至617MHz，就像T Mobile的B71频段要求接地平面甚至长于100mm一样。

将天线放在其PCB上

接下来，我们应考虑天线在PCB上的位置及其相对于其他组件的放置。天线应放在整个RF布局和PCB叠放中的最佳位置，以使其有效辐射。

每个单独的天线都旨在在PCB上的几个位置有效地工作。通常是拐角或边缘，但是每个天线都不相同，因此选择适合设计的天线并根据制造商针对该天线的建议放置天线非常重要。

图2显示了如何将天线及其间隙区域放置在小型嵌入式设备（例如可穿戴产品或手表）中。

图3显示了适合手表设计的天线位置。设计保持该天线上方和下方指定的建议间隙，该间隙以红色显示。

请勿在天线部分附近放置嘈杂的组件，例如电池或LCD。天线是无源组件，它接收能量并吸收噪声组件发出的噪声，并将该噪声传递到无线电，从而降低接收信号的质量。天线也应放置在远离人体的地方，以改善RF性能，这是上面图3中蓝色标记的距离。

射频馈电和接地连接的布置对于天线的功能至关重要。在小型PCB中使用小型嵌入式天线时，在PCB上蚀刻的铜走线可能会形成天线的组成部分，因此应注意遵循制造商的规格或参考设计。

整体RF布局和PCB堆叠

通过仔细考虑设计中RF元件的布局，可以最大化天线的性能。铜接地层不应被走线割断或布置在一层以上，这样天线的接地层部分将能够更有效地辐射。

必须使LCD或电池等组件远离PCB布局中的天线区域，因为它们会干扰天线的辐射方式。

对于多频带频率，我们建议PCB布局至少要四层。

图4显示了顶层和底层如何提供接地层，而需要远离接地层的数字信号和电源则在它们之间的空间中运行。

图4.

调整天线的性能

对于接地平面短于理想情况的情况，设计人员可以考虑采用其他技术来提高嵌入式天线的性能。

一种方法是针对其工作国家/地区调整天线。4G频率范围很宽，从698MHz到2690MHz，但是每个不同的世界地区仅使用该频段的一部分，并且天线一次只能在一个频率上运行。这意味着，当要在一个地理区域中使用产品时，可以将其调整为在频带的较窄部分中使用。这将提高天线的性能。

另一种技术是包括一个有源调谐网络，实际上是一个附加的RF开关电路，这将有助于克服由于主机PCB小于75mm的较小接地引起的带宽减少。在天线馈电点附近添加一个PI匹配电路，以微调天线并提高性能。匹配电路的设计通常需要RF专家的帮助。

图5显示了天线评估板上的匹配电路。

设计传输线

一旦选择了用于PCB的材料并且知道了其厚度和介电常数，便可以使用市售的RF迹线设计软件包之一来设计共面传输线。这将使用PCB厚度，铜层间隔和基板介电常数来计算传输线的最佳宽度，以及两侧的适当间隙，以实现50 co的共面传输线。

所有传输线的设计阻抗应为50Ω，RF系统的其他部分（例如收发器或功率放大器）的阻抗也应为50Ω。

Antenova提供了免费的RF传输线计算器工具，可帮助设计人员确定传输线的尺寸。

其他因素

在同一块PCB上可能有多个天线，它们以不同的频率工作，但位置非常接近。如果天线是仅接收系统（例如GPS接收器），则可能会被附近的发射天线（例如4G无线电嵌入式设备）感测到，从而降低了GPS系统的准确性。必须小心分开这些天线系统，方法是通过天线之间的物理距离-确保天线彼此正交-或在接地平面上开槽以消除天线之间共享的接地电流。

在多输入多输出（MIMO）系统中，该设计将需要多个天线，一个天线应相对于另一个放置，以便它们可以共存。然后可以将它们匹配到相同的频率。必须放置天线以确保隔离度和互相关在可接受的范围内。如上所述，必须注意通过天线之间的物理距离，确保天线彼此正交或在天线之间的接地平面上开槽以去除天线之间共享的接地电流来分离嵌入式设备中的天线。天线。

图6显示了用于分集的邻近配置。

 

 

外壳不应在靠近天线的位置包含金属，但是可以接受某些金属化涂层，因为它们不能有效地传导能量。天线附近的金属物体可能导致天线的频率降低。它还可以减少设计用于天线工作的带宽量。天线附近的金属物体的另一个问题是，金属物体会在金属放置的方向上阻挡信号，从而降低了总体辐射方向图，并可能导致信号降级到足以失去与基站的连接。

结论

如果产品设计要包括天线，尤其是在使用小型PCB的情况下，我们建议先选择天线，然后再将其放在PCB上。用这种方法比将天线插入其他完成设计中要容易得多。首先考虑天线通常是实现RF元件应有的性能的最快设计方法。

这将增加获得嵌入式设备网络批准的机会。如果要获得批准并且规则很严格，则天线需要有效运行。但是，AT＆T确实为小于107毫米的嵌入式设备留出了余地，并降低了这些较小嵌入式设备的效率阈值。