光学天线设计变来变去,始终离不开这些!

电子发烧友网2020-11-03 13:38:15


天线,按维基百科的定义,是一种用来发射或接收无线电波—或更广泛来讲—电磁波的器件 。例如,在无线通信系统中,天线被用于发射与接收射频与微波波段的电磁波。而在我们的智能手机中,就有内置的平面倒F天线(PIFA),用于接收和辐射射频波段在2.4GHz和5GHz的电磁波信号。


天线最终的目的是要将射频信号辐射到自由空间,这时天线的设计就显得非常重要,但是天线设计很大程度上依赖于所安装平台的特性,另外天线对周围环境很敏感,这些原因导致很多情况下,天线对每个平台都是独一无二的设计。


目前光学天线是科研界的一个研究热点,研究角度与应用场合也较为广泛,各种基于光学天线的新研究领域层出不穷,因此本文难免会一漏万,只能起到抛砖引玉的作用。


天线原理究竟是怎样


由于天线对电磁波的调控作用服从经典电磁学的基础方程,也即麦克斯韦方程,而麦克斯韦方程在形式上具有频率(波长)不变性,也就是说,麦克斯韦方程组并没有限制天线的工作波长。因此,在射频波段电磁天线的诸多功能(例如频率选择表面,相控阵雷达等),逻辑上也可以在光频段实现。


从尺度上来看,天线的工作波长λ与天线尺度L是线性相关的。以最简单的1/2波长偶极子天线(dipole antenna)为例,它由两根1/4波长单极子天线(monopole antenna)组成,其长度是工作波长λ的一半。对于工作900MHz的射频天线,其长度为估算为 L = λ / 2= (3e8 m/s / 900e6 /s) /2 = 0.167m。而工作波长在可见光的天线,其长度估算为 L = λ /(2n),这里n为天线所处的介质环境的折射率。


对于工作波长为680nm(红光)的光学天线,假设其制备衬底为硅,则L = λ / (2n)= 680 nm / 2 / 3.4 = 100 nm。可见,对光学天线(光频段电磁天线)的研究,首先要解决的是要能实验制备与光波长尺度可比拟,乃至比光波长尺度还要小的微纳结构。


光学天线


近年来,随着以电子束刻蚀和聚焦离子束刻蚀为代表的“至顶向下”式纳米加工技术的日趋成熟,大规模加工纳米尺度的金属与介质结构成为可能,光频段电磁天线(简称光学天线)的研究也随之成为研究热点。


1. 亚波长尺度的光场聚焦:与射频波段的偶极子天线相类比,光学天线可以将自由空间中的光频电磁波汇聚于天线表面亚波长尺度的空间内,极大提高了光子的态密度,因此被广泛应用于突破衍射极限,并增强光与物质的相互作用。


2. 光吸收与光热转换:制备光学天线的材料与制备微波波段电磁天线的材料一样,可以是金,银,铝,铜等常见金属。然而,金属材料在光频段已经不再像微波波段那样可以等效为完纯导体,而是对电磁波具有巨大损耗,也即材料折射率的虚部相对实部不再是无穷大。这一特性使得光学天线对光的损耗增大,可以用作光学吸收器(absorber)。而光学天线吸收的光能最后被转化成热能,体现为温度的上升。该特性被用于热红外探测器,太阳能,以及肿瘤的治疗。


3. 光学滤波,偏振选择与相位操控:当光学天线被制备成阵列,又有了诸多新奇而有趣的特性。前面说过,在微波波段,有频率选择表面和相控阵雷达的概念。而在光频段,同样可以利用光学天线阵列实现光波的滤波,偏振选择,以及相位操控。


例如,最新一期的Science封面文章,就是利用基于光学天线阵列的光学超表面,对平面圆偏振光各点的相位进行调控,从而实现可见光波段的超薄平面式成像透镜。可见,经过巧妙设计的光学天线及其阵列,有望将传统光学元件(滤光片,偏振片,成像透镜等等)的诸多功能压缩至光学薄膜的厚度上加以实现,也即平面光学元件(FlatOptics)。


再来介绍一下WIFI天线:


随着市场竞争的加剧,硬件设备正以集成化的方向发展。天线也由外置进化内置再进化到嵌入式,先来介绍这类应用的天线种类:


⑴ On Board板载式:采用PCB蚀刻一体成型,性能受限,极低成本,应用于蓝牙、WIFI模组集成;


⑵ SMT贴装式:材质有陶瓷、金属片、PCB,性能成本适中,适用于大批量的嵌入式射频模组;


⑶ IPX外接式:使用PCB或FPC+Cable的组合,性能优秀,成本适中,广泛应用于OTT、终端设备;


⑷ External外置类:塑胶棒状天线,高性能,独立性,成本高,应用于终端设备,无须考虑EMC等问题;



再来总结一下空间要求和性能指标:



天线对PCB布局布线和结构的要求


1.天线的形式及天线位置和馈点尺寸的建议


内置天线经常采用的几种形式分别为,分为弹片形式和chip贴片天线和FPC天线。贴片天线的形式是统一规格的,有固定的尺寸,焊盘的位置和尺寸根据具体规格的天线也是固定的。另外根据特定型号的天线有相关的天线周围净空的要求和设备尺寸的建议等设计指导意见。


如果采用弹片形式,我们建议客户采用PIFA天线作为WiFi天线的形式,根据我们的经验,PIFA天线成功率和性能都要好一些。天线RF馈电焊盘应采尺寸为2×3mm,焊盘含周边≥0.8mm的面积下PCB所有层面不布铜。如果为PIFA天线,还要加一个2×3mm的地焊盘,两个焊盘之间距离为2mm。


天线通常的位置都在设备的顶部,PCB顶部开始,将此区域内的所有层的地切掉2~3mm,但属于天线地焊盘的那层的焊盘部分要保留。


2. 匹配电路布线的建议


天线匹配电路的拓扑结构为从天线开始四个件并串并串,到测试口或者Power amplifier。匹配电路下方以及匹配网络周围1.5mm区域内不要铺地。匹配网络摆放位置距离馈电焊盘放较近为好(但不要太近)。


3. 从WiFi模块到天线匹配电路的微带线


从WiFi模块到天线匹配电路的信号传输线为50ohm特性阻抗的微带线。为了避免在微带线上的损耗,模块应该尽可能的靠近天线。微带线必须根据具体的PCB来决定尺寸。不允许有交叉的线在微带线和地之间通过。


4. 其他一些问题


接地:良好的射频接地对于手机的无线性能而言无疑是相当重要的,须遵循如下几个设计原则:


尽量使外层区域的地完整,不被分割破坏(非屏蔽罩之内的部分),这个对于天线附近的区域尤为重要。天线电流必须与噪声电流隔离,如果天线附近的接地区域被破坏成不完整的,必须在其下面相关区域产生一块填充地平面,并用地过孔加以缝合,使之成为完整的地。此区域走线须得保证天线电流只流过表层平面,且须限制噪声电流流进里面的完整地平面。


在使用预先生产天线时,需要注意的是其特性取决于所连接的地平面。仅当接地平面的尺寸及形状均与制造商的评估板一致时,方可达到制造商所标明的规格。在其它情况下,用户需要在实际应用条件下测定预先生产的天线的阻抗,并匹配至所需的特征阻抗。


5. 设备外壳金属成分的使用问题


不要在外壳表面使用具有金属成分的喷涂或者镀层,金属镀层不能实现可靠的接地,会对天线性能有很大影响。


6. 纯金属结构件的使用


采用全金属结构的部件时,请对所使用的部件预留多个接地点,具体的接地点位置的确定由天线设计公司来确定。


天线辐射区域上方不能有任何接地或者不接地的金属装饰物,包括电镀和镀金。


7. 给天线预留安装位置的考虑


天线的安装要远离金属物体,天线需要足够的空间来展开,如果采用chip天线,那么需要按照应用指南的要求,给出足够的净空区域和相应尺寸的地。


如果采用弹片方式的天线,应该为天线设计支架,天线固定在支架上,而支架和PCB再进行固定;或者不用支架,天线固定在外壳上面。


在进行结构设计时要考虑给出天线安装的空间和位置,并考虑在支架或者要安装天线的外壳上增加热熔柱来固定天线。

PS本文参考自射频百花潭