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客户端模组布局与天线设计指南

<p>[TOC]</p> <h2>1、概述</h2> <p>本文档目的在于,客户选用瑞瀛模组后,能更加方便快捷的进行后续产品开发,并且在设计前期尽可能有效规避一些常见的布局问题,提高产品开发的效率,同时充分发挥出所选模组的最佳无线性能。</p> <h2>2、天线简介</h2> <p>天线位于射频链路的最前端,其作用为收发电磁波信号。发射时,将板级传导射频信号转换为自由空间中的电磁波信号,接收时,将自由空间中的电磁波信号转换为板级传导射频信号。天线的性能对于产品的最终性能至关重要。常见的瑞瀛模组有贴片形态和插装形态两种,两种形式模组上的天线形态包括:自带型——PCB印制天线、贴片陶瓷天线;外接型——焊接弹簧天线、单极子软天线和IPEX接头天线等。客户可根据产品的通信类型及需求,合理选择模组类型以及配置合理的天线布局,适配到大小家电、电工照明和安防传感等使用场景。</p> <h3>2.1、天线无源参数</h3> <p>1)天线频率和带宽:天线谐振频率就是工作频点,谐振带宽即为工作带宽,常用天线工作频率为2.45GHz,工作带宽为2400MHz-2500MHz。 <img src="https://www.showdoc.com.cn/server/api/attachment/visitFile?sign=fab73d780ede53b7d5d1d9758f549560&amp;amp;file=file.png" alt="" /> 图 2.1 模组天线斯密斯圆图谐振点</p> <p>2)回波损耗:回波损耗RL(Return Loss)指的是射频输入信号反射回来的功率与输入信号功率的比值。是以dB为单位,是一个负数。通常单端口天线用S11来表示,其值越小代表反射功率能量越低,说明天线输入端的匹配情况越好。</p> <p>3)驻波比:驻波比 VSWR (Voltage Standing Wave Ratio)是电压驻波比的简称,指的是反射波波幅与入射波波幅的比值。当理想情况下阻抗完全匹配时,驻波比的值是1,但在实际工程上,必然存在反射,此时的驻波比是大于1的,反射越大时驻波比也越大。因此天线对驻波比这个技术参数,数值越低越接近1越好。 <img src="https://www.showdoc.com.cn/server/api/attachment/visitFile?sign=bcbe91b9b0b11c04ddf0369e5431b5fe&amp;amp;file=file.png" alt="" /> 图 2.2 模组天线回波损耗和驻波比 4)天线效率:天线效率(Antenna Efficiency)是天线的辐射功率与天线输入功率的比值,它是恒小于1的数值,天线的效率通常越高越好。</p> <p>5)天线增益:天线增益(Antenna Gain)是指在输入功率相等的条件下,实际天线与理想的辐射单元在空间同一点处所产生的信号的功率密度之比。它定量地描述一个天线把输入功率集中辐射的程度。</p> <p>6)天线方向图:天线方向图(Radiation Pattern)也叫辐射方向图,是指离天线一定距离处,辐射场的相对场强(归一化模值)随方向变化的图形,是描述天线发射电磁波的强度与方向(角度)之间的关系。天线方向图一般可分为全向和定向。对于模组天线,无论是自带型或是外接型,如果没有特别需求,为了保证模组各个方向的接收效果,天线方向图均为全向。</p> <h3>2.2、天线有源参数</h3> <p>1)总辐射功率TRP:总辐射功率TRP (Total Radiated Power),通过对整个辐射球面的发射功率进行面积分并取平均得到。它反映模组的发射功率情况,跟模组在传导情况下的发射功率和天线辐射性能有关。TRP值的单位为:dBm,通常在符合相关标准的情况下,TRP值越大越好。</p> <p>2)总全向灵敏度TIS:总全向灵敏度TIS(Total Isotropic Sensitivity ),反映在整个辐射球面模组接收灵敏度指标的情况。它反映了模组的接收灵敏度情况,跟模组的传导灵敏度和天线辐射性能有关。TIS值的单位为:dBm,TIS为一负值,通常在符合相关标准的情况下,TIS值越小越好。</p> <h2>3、模组布局说明</h2> <p>瑞瀛模组不管是MCU对接还是SOC方案,一般都采用贴片焊接或者插装焊接的形式集成到客户整机中,扮演着智能化产品无线连接基础设施的角色。对于模组布局,瑞瀛模组无论是贴片焊接型或者插装焊接型,其基本组成均如图 3.1所示。 <img src="https://www.showdoc.com.cn/server/api/attachment/visitFile?sign=750d945f6c17b9256cdb1cd9dc706c8f&amp;amp;file=file.png" alt="" /> 图 3.1 模组天线布局</p> <p>其中,瑞瀛带天线模组布局示意图如图 3.2所示,模组由模块区域和天线区域组成。其优势是模组封装小,成本较低,一体化程度高,可快速安装,实现自动化生产;不足之处在于天线与模块一体化设计,天线性能受限,造成模组性能受限。 <img src="https://www.showdoc.com.cn/server/api/attachment/visitFile?sign=8a74b563c8888fea9a6b6ef1d5c3e0db&amp;amp;file=file.png" alt="" /> 图 3.2 模组带天线布局示意图</p> <p>瑞瀛外接天线模组布局示意图如图 3.3所示。由于模组小型化设计,外接天线一般为焊盘或者IPEX接口,模组由模块区域和焊盘或IPEX插座区域组成。瑞瀛外接天线模组的优势是封装更小,并且天线可以自由选型,性能较好,不足之处是需要外接天线,成本略有增加。 <img src="https://www.showdoc.com.cn/server/api/attachment/visitFile?sign=383ab1888aa488cfcf02dd6f5d8f33a9&amp;amp;file=file.png" alt="" /> 图 3.3 外接天线模组布局示意图 注:外接天线模组由于外接天线,产品开发设计可不参考本文档第4条,外接天线选用可参考第 6条。</p> <h2>4、产品结构布局建议</h2> <p>由于带天线模组为预先设计好的天线,其最终性能特性取决于产品的结构、材质,以及模组放置的位置、底板的尺寸形状等等因素,故产品性能应以整机实际测试为准。</p> <h3>4.1、模组的摆放位置</h3> <h4>4.1.1、水平放置</h4> <p>模组建议放置在底板边缘,天线朝外,模组GND与底板GND平齐,并且充分连接,如图所示。 <img src="https://www.showdoc.com.cn/server/api/attachment/visitFile?sign=b0bed36d0f82c55b9a71198845d50698&amp;amp;file=file.png" alt="" /> 天线区域(含模组外接天线的净空区)下方净空,禁止有PCB基材,禁止布线,禁止任何结构干涉天线。</p> <h4>4.1.2、垂直插板放置</h4> <p>模组垂直插入底板卡槽内,天线朝外,模组GND与底板GND平齐,模组GND与底板GND充分连接,如图所示。 <img src="https://www.showdoc.com.cn/server/api/attachment/visitFile?sign=f3014cc3e991b5aa0bda2ad10b3a0fa9&amp;amp;file=file.png" alt="" /><img src="https://www.showdoc.com.cn/server/api/attachment/visitFile?sign=861221ceaf15e6e99526bfdd8e2ef938&amp;amp;file=file.png" alt="" /> 这种放置方式,模组另一边缺少GND,会影响天线性能,解决方法是借用外壳、底板或其他结构上的金属作为GND,来提高天线性能,如图所示。 <img src="https://www.showdoc.com.cn/server/api/attachment/visitFile?sign=c8b90e955129267b7435ed259b328432&amp;amp;file=file.png" alt="" /> <img src="https://www.showdoc.com.cn/server/api/attachment/visitFile?sign=5f81bfeda9d03e5d0b3ecb3b8b24a7bc&amp;amp;file=file.png" alt="" /> 借用金属增加GND的方法,实际使用时需要评估,建议咨询专业天线公司,将天线回波损耗调试至S11 &lt;-5dB 时,模组性能基本正常。</p> <h4>4.1.3嵌入放置</h4> <p>模组嵌入底板上,如图所示。 <img src="https://www.showdoc.com.cn/server/api/attachment/visitFile?sign=3847ddfa7c27ee26b8e4760c3a7b1756&amp;amp;file=file.png" alt="" /></p> <p>这种放置形式,模组天线净空区被底板GND遮挡,天线辐射能力大幅度削弱,解决方法是在底板上开槽,恢复天线辐射性能,如图 所示。 <img src="https://www.showdoc.com.cn/server/api/attachment/visitFile?sign=ffa837555068802d8c497e43553132db&amp;amp;file=file.png" alt="" /> 开槽这个方法,实际使用时需要评估,将天线回波损耗调试至S11 &lt;-5dB 时,模组性能基本正常。</p> <h3>4.2、底板GND的尺寸和形状</h3> <p>底板GND的尺寸和形状,会影响天线的辐射性能,需要在产品设计前期进行评估。</p> <h4>4.2.1、底板GND尺寸对天线的影响</h4> <p>1)底板GND的尺寸大小示意图如图所示,不同尺寸的底板GND均会将天线谐振向低频偏移,底板GND尺寸越大,天线谐振越往低频偏移。因此,底板GND尺寸不是越大越好,也不是越小越好,需要控制在一个特定的范围。 <img src="https://www.showdoc.com.cn/server/api/attachment/visitFile?sign=397cf449bd2f9304846fed1c6aac7456&amp;amp;file=file.png" alt="" /></p> <p>2)底板GND超出模组GND距离示意图如图所示。此时底板GND遮挡了部分天线的净空区,天线谐振将往低频方向偏移。 <img src="https://www.showdoc.com.cn/server/api/attachment/visitFile?sign=aace886bd44e0d864b75552a3e76ef98&amp;amp;file=file.png" alt="" /></p> <h4>4.2.2、底板GND形状对天线的影响</h4> <p>1)底板GND一边有缺口示意图如图所示,随着缺口的增大,天线谐振往高频偏移且深度变浅。 <img src="https://www.showdoc.com.cn/server/api/attachment/visitFile?sign=09fc05e9173387322ac542b9351a5909&amp;amp;file=file.png" alt="" /></p> <p>2)底板GND被分割不完整示意图如图所示,天线谐振往低频偏移且深度变浅。 <img src="https://www.showdoc.com.cn/server/api/attachment/visitFile?sign=be4ae57af8f4d85bf8d58fcb3fa482d6&amp;amp;file=file.png" alt="" /></p> <p>3)嵌入放置底板GND开槽示意图如图所示,随着开槽尺寸逐渐增大,天线谐振将逐步恢复并从低频偏移至接近设计频点。嵌入放置方式由于左右金属底板的影响,天线的方向性会变差。 <img src="https://www.showdoc.com.cn/server/api/attachment/visitFile?sign=064589646966fe07c5ff4dd8e6606a61&amp;amp;file=file.png" alt="" /></p> <p>由上可以看出,底板GND的尺寸和形状以及模组的摆放位置,对天线性能均有影响。产品最终调试时,将天线回波损耗调试至S11 &lt;-5dB 时,天线性能基本正常。</p> <h3>4.3、外壳结构的设计</h3> <p>外壳建议使用塑料材质如ABS、PC或其他介电常数相近的材质,外壳与天线需要保持一定的距离,天线辐射方向外壳不可使用金属材质、或在塑料壳体表面使用含有金属成分的喷漆和镀层,天线周围避免使用金属螺丝、金属铆钉或其他金属器件影响天线的辐射。</p> <h4>4.3.1、外壳到天线距离的影响</h4> <p>1)顶盖到天线的距离示意图如图所示,外壳会将天线谐振往低频偏移,外壳距离天线越远,对天线性能影响越小。 <img src="https://www.showdoc.com.cn/server/api/attachment/visitFile?sign=d6b2060e4eb17d5ecc43e081117ccb53&amp;amp;file=file.png" alt="" /></p> <p>2)上下壳到天线的距离示意图如图所示,外壳会将天线谐振往低频偏移,外壳距离天线越远,对天线性能影响越小。 <img src="https://www.showdoc.com.cn/server/api/attachment/visitFile?sign=915ae5414af66fef77bd24d744e6f9ea&amp;amp;file=file.png" alt="" /> <img src="https://www.showdoc.com.cn/server/api/attachment/visitFile?sign=8134178fe9d6351db3e21968ab6d93c7&amp;amp;file=file.png" alt="" /> 由上可以看出,外壳到天线的距离会影响天线的性能,产品结构设计时需要外壳与天线空出必要的距离,调试天线S11&lt;-5dB时,天线性能基本正常。</p> <h4>4.3.2、外壳的材质</h4> <p>当天线顶部外壳使用金属时,如图所示,天线S11波形往低频偏移严重,2.45GHz附近基本无谐振,天线基本失去性能。虽然随着金属距离天线越远,天线谐振逐步靠近2.45GHz,但是性能依然受限。并且由于金属会遮挡天线的辐射,对天线的方向性影响极大。 <img src="https://www.showdoc.com.cn/server/api/attachment/visitFile?sign=a6b0c176834ecdca0ab686a6dfb043c0&amp;amp;file=file.png" alt="" /> <img src="https://www.showdoc.com.cn/server/api/attachment/visitFile?sign=a6807a56e803f7ba16d32f663b5c13b0&amp;amp;file=file.png" alt="" /> 当天线正面外壳使用金属时,如图所示,天线S11波形频偏且深度变浅。此时由于金属会遮挡天线的辐射,对天线的方向性影响极大。 <img src="https://www.showdoc.com.cn/server/api/attachment/visitFile?sign=0e0ec28d55b0f06163e04c8213dd8a33&amp;amp;file=file.png" alt="" /> 由上可以看出,天线外壳有金属对天线影响极大,产品设计时如必须使用金属环境,建议在设计前期咨询专业的天线设计公司进行评估。</p> <h3>4.4、其他布局注意点</h3> <p>1)模组离开喇叭、电源开关、Camera、HDMI、USB等其他高速信号3cm以上,避免引起干扰。 2)天线区域下方净空,禁止布线,禁止有其他介质层,避免结构件的干涉。 3)天线附近避免金属遮挡,如有同频信号干扰需充分评估保证隔离度。 4)天线辐射方向禁止金属遮挡。 5)由于自带天线模组性能有限,建议在条件允许下,优先选用外接天线模组,可选配合适的外置天线以发挥出模组的最佳性能。</p> <h2>5、模组的应用环境</h2> <p>产品在实际使用过程中一般有三种摆放场景:桌面摆放场景,插墙或壁挂场景,吊顶场景。为发挥模组的最佳无线性能,产品设计时模组摆放建议按如下所述进行。</p> <h3>5.1、产品桌面摆放场景</h3> <p>当产品在桌面摆放或其他水平平台摆放时,建议如图所示的形式放置,其中x,y为水平面。 <img src="https://www.showdoc.com.cn/server/api/attachment/visitFile?sign=7484653e0797c918b3aa315534625a94&amp;amp;file=file.png" alt="" /></p> <h3>5.2、产品插墙或壁挂场景</h3> <p>当产品插墙或壁挂摆放时,建议如图所示的形式放置,其中x,y为水平面。 <img src="https://www.showdoc.com.cn/server/api/attachment/visitFile?sign=7ab300c0cf4cc3e7b76c0d9a9b0bd90b&amp;amp;file=file.png" alt="" /></p> <h3>5.3、产品吊顶场景</h3> <p>当产品吊顶摆放时,建议如图所示的形式放置,其中x,y为水平面。 <img src="https://www.showdoc.com.cn/server/api/attachment/visitFile?sign=8dcfbc70f9cecd2e1ea9ee4a2433d393&amp;amp;file=file.png" alt="" /></p> <h2>6、外接天线推荐</h2> <p>外接天线种类和结构形式很多,只要天线能够与产品结构配套并能充分发挥出模组最优性能,均可采用。下面介绍几种常用的天线,客户可选择使用,若是产品结构十分复杂,金属外壳较多,建议在设计前期咨询专业天线设计公司进行评估。</p> <p>1)铜管天线,效率高,辐射性能好,适合结构空间较充裕的环境下使用,如图所示。天线安装在外壳卡槽内,天线周围无金属材质。 <img src="https://www.showdoc.com.cn/server/api/attachment/visitFile?sign=9cb2bdf1306b478ce742d06db8d7dad6&amp;amp;file=file.png" alt="" /></p> <p>2)PCB/FPC天线-Dipole 天线,效率高,辐射性能好,适合结构比较小,离主板位置比较近的环境下使用,如图所示。天线贴在机器外壳上,周围无金属材质。 <img src="https://www.showdoc.com.cn/server/api/attachment/visitFile?sign=f025948c77475f26e0c06e84f28d3c40&amp;amp;file=file.png" alt="" /></p> <p>3)PCB/FPC天线-PIFA 天线,效率较高,辐射性能较好,适合结构比较小,离主板位置比较近的环境下使用,如图所示。天线贴在机器外壳上,天线 GND 靠近主板,天线辐射部分高于主板不要被遮挡。 <img src="https://www.showdoc.com.cn/server/api/attachment/visitFile?sign=4756ffaeea4c4f0faecbeba1d8652dbe&amp;amp;file=file.png" alt="" /></p> <p>4)单极子软天线,效率较高,辐射性能好,适合结构小型化场景,比如灯类应用,如图所示。使用时天线周围无金属材质。 <img src="https://www.showdoc.com.cn/server/api/attachment/visitFile?sign=edf5d15cef2379d17e233e18d042165d&amp;amp;file=file.png" alt="" /></p> <p>5) 弹簧天线,效率较高,辐射性能好,适合结构小型化场景,比如灯类应用,如图所示。使用时天线周围无金属材质。 <img src="https://www.showdoc.com.cn/server/api/attachment/visitFile?sign=a06273a840e6da942e991470b46cb9c1&amp;amp;file=file.png" alt="" /></p> <p>6)外置胶套天线,效率高,辐射性能好,适合安装在设备外部,如图所示,此天线对环境的要求最低。 <img src="https://www.showdoc.com.cn/server/api/attachment/visitFile?sign=18213f51ad4a9019d79d28ec5002efc3&amp;amp;file=file.png" alt="" /></p> <h2>7、模组布局案列分享</h2> <p>本节将分享一些模组布局的优秀案例和错误案例,目的是让客户更加直观的了解到模组布局对产品性能的重要性。</p> <h3>7.1、优秀案例分享</h3> <p>1)传感类优秀案例。如图所示,模组通过贴片的方式固定在传感底板上,模组天线区域正下方均净空,也没有底板的PCB板材和金属遮挡。这种布局方式属于水平放置,正如4.1.1节所述,可以保证模组性能的最优化。 <img src="https://www.showdoc.com.cn/server/api/attachment/visitFile?sign=3f36af64fb9375ded04b6b68a3e73ebc&amp;amp;file=file.png" alt="" /></p> <p>2)球泡灯优秀案例。如图所示,模组通过贴片或者插装的方式固定在底板上,然后在铝基板上开槽,让模组天线区域伸出来,并且保证模组GND与铝基板齐平,天线周围没有阻挡。这种布局无论是桌面使用,插墙使用和吊顶使用,均可以保证模组性能最优化。 <img src="https://www.showdoc.com.cn/server/api/attachment/visitFile?sign=e20c1f5acc89c62b7020fc82e400f419&amp;amp;file=file.png" alt="" /></p> <h3>7.2、错误案例分析</h3> <p>1)球泡灯错误案例1</p> <p>如图所示,模组通过贴片的方式固定在底板上,在铝基板上开口让天线区域伸出来,同时保证模组GND与铝基板齐平。但是,由于天线净空区域还存在PCB板,而且PCB板上存在金属引脚焊盘,此时即类似嵌入放置时底板GND遮挡了部分天线净空区域,天线的谐振将往低频偏移,辐射性能被严重影响,模组性能受限。 <img src="https://www.showdoc.com.cn/server/api/attachment/visitFile?sign=ec0d4160c36a94c17fc6e4858bdad8b4&amp;amp;file=file.png" alt="" /> 优化方法:将PCB板以及其上的金属引脚焊盘去掉。如果不能去掉,则将PCB板以及其上的金属引脚焊盘尽量远离天线净空区域,同时将PCB板以及其上的金属引脚焊盘尽可能缩小高度。</p> <p>2)球泡灯错误案例2 如图所示,模组通过插装的方式固定到底板上,单极子软天线焊接到焊盘上后通过小孔伸出铝基板。该错误布局原因:单极子软天线2/3长度均在球泡灯内部,仅有1/3露出铝基板,天线净空不足,天线绝大部分四周充满了金属,天线性能受限严重。 <img src="https://www.showdoc.com.cn/server/api/attachment/visitFile?sign=4c56bcca3b87e633570a15a377fce272&amp;amp;file=file.png" alt="" /> 优化方法:产品设计前期需将模组天线焊盘尽可能移到靠近铝基板附近,确保单极子软天线伸出铝基板的长度足够,避免天线四周过多的金属。</p> <p>3)PIR传感器错误案例 如图所示,模组通过贴片的方式固定在底板上。布局错误原因:模组GND没有和底板GND齐平,天线净空区域存在PCB板。此时天线性能将受到影响,模组性能受限。 <img src="https://www.showdoc.com.cn/server/api/attachment/visitFile?sign=6f8ac25e0b626c310835cf4498581592&amp;amp;file=file.png" alt="" /> 优化方法:将模组GND与底板GND齐平,同时去掉天线净空区域的PCB板子。</p> <h2>8、说明</h2> <p>1) 本文档仅是对客户在产品设计时天线性能方面提供一个初步的认识,文中举例的一些情况变量的数值并非绝对,具体天线性能以实际整机测试为准。 2) 建议在产品设计初始阶段立即着手评估天线布局性能,设计完成后,每次改版,特别是天线附近发生较大改动的,建议再次评估天线的性能。 3) 建议产品设计完成后,对整机天线性能根据产品定义进行测试,确认天线性能是否符合整机要求。</p>

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