Air8000 天线设计说明

Kimi梳理版

1.特别提醒!!!

Air8000的天线管脚，在模块内部有一个π型阻抗匹配短路，该电路中，有一个匹配用电感器件接地；

说明：

阻抗匹配，即射频电路中常提到的"50Ω阻抗匹配"；
电感对直流是短路的，所以大家用万用表测试PIN35天线管脚时对地是短路的；

说明：

用万用表测试电感，本质是给电感加直流电压；
对高频天线信号来说，电感是断路的，不影响天线信号经过；
所以，如果你用万用表测试 Air8000 的 PIN35 天线管脚对地短路，没有问题，是正常的；

2. 背景概述

Air8000 模块特点：属于 Cat.1 bis R13 架构，采用单天线架构，去掉了分集接收天线，仅需一根天线。
适用场景：Cat.1 bis 相较于 Cat.1 更简单，更符合低速物联网的实际应用场景。

3. 天线的阻抗控制和匹配

射频传输链路：4G 模块 → PCB 传输线 → 天线匹配 → PCB 传输线 → 射频连接器 → 同轴传输线 → 4G 天线。
阻抗控制
- 传输功率公式：负载端的传输功率与反射系数、传输线特征阻抗、传输电压有关。当反射系数为 0（负载匹配）时，传送到负载的功率最大；当反射系数为 1（负载失配）时，传送到负载的功率为 0。
- 反射系数公式：反射系数与传输线特征阻抗和负载端特征阻抗有关。负载阻抗等于传输线特征阻抗时，反射系数为 0，无反射；负载开路时，反射系数为 1。
- 行业规范：射频器件输出阻抗和输入阻抗均按 50 欧姆特征阻抗设计，PCB 传输线特征阻抗应控制在 50 欧姆附近以保证反射系数最小。
匹配网络
- 原因：模块射频管脚输出阻抗和 4G 天线输入阻抗无法完全做到精确 50 欧姆特征阻抗，存在容抗成分，需增加匹配网络调整信源和负载为纯阻性，实现共轭匹配，使负载得到最大功率。
- 预留位置：通常在 4G 模块天线端预留 Π 型匹配网络，以便 4G 天线调试时有足够的匹配调整空间。

4. 天线传输线的参考设计

电路原理设计：虽不复杂，但天线走线的 PCB 设计非常重要，直接影响系统射频指标性能。
注意事项
- 连接到模块 RF 天线焊盘的 RF 走线必须使用微带线或其他类型的 RF 走线，阻抗控制在 50 欧姆左右。
- 在靠近天线的地方预留 Π 型匹配电路，两颗电容默认不贴片，电阻默认贴 0 欧姆，待天线厂调试好天线后贴上实际调试的匹配电路。
- Π 型匹配电路靠近天线放置。

5. 推荐的 PCB 堆叠和线宽方案

影响因素：射频信号线的阻抗由材料的介电常数、走线宽度、对地间隙、参考地平面的高度决定。
两种方式
- 微带线：带状导线，只有一边存在参考平面，顶部和侧边曝于空气中（也可上敷涂覆层），位于绝缘常数 Er 线路板表面之上，以电源或接地层为参考。在 PCB 设计时，若采用微带线做阻抗控制，要注意射频走线与周围覆铜的地保持 3 倍线宽以上，避免周围地对阻抗的影响。
- 共面波导：将两个平行的导体与介质隔离开，位于同一平面内，电场穿过介质。具有结构简单、宽带、低损耗、易于与其他微波元器件集成等优点，适用于集成电路中高频段的传输。需要精确控制射频走线与周围地铜箔的距离，相对微带线来说控制难度较高。
选择建议：虽然理论上微带线和共面波导模型都能做到传输线的 50 欧姆阻抗控制，但在实际设计中要考虑阻抗控制后的线宽是否具备实际可操作性。例如，在 2 层 PCB 板、1.2mm 板厚情况下，微带线模型算出的 50 欧姆理论线宽为 77mil，不具备可操作性；而共面波导模型在距离两边地铜箔 4mil 距离情况下，线宽仅 13.8mil 就能达到 50 欧姆阻抗，更符合实际设计要求。

6. 常用的 PCB 50 欧姆阻抗控制堆叠方案

二层 PCB 板共面波导结构
- 1.0mm 板厚：共面波导，阻抗线到铜箔距离 6mil，线宽 21.77mil。
- 1.2mm 板厚：共面波导，阻抗线到铜箔距离 6mil，线宽 24.11mil。
- 1.6mm 板厚：共面波导，阻抗线到铜箔距离 6mil，线宽 25.42mil。
四层 PCB 板共面波导结构
- 注意多层板结构参考地和阻抗线之间的层，需将阻抗线投影区下方挖掉 5W 线宽的覆铜。
- 1.2mm 板厚：共面波导，阻抗线到铜箔距离 6mil，线宽 24.02mil；注意 L2 层阻抗线下方覆铜挖空处理。
- 1.6mm 板厚：共面波导，阻抗线到铜箔距离 6mil，线宽 26.43mil；注意 L2 层阻抗线下方覆铜挖空处理。
阻抗控制计算方式：立创阻抗计算器网址为https://tools.jlc.com/jlcTools/index.html#/impedanceCalculateNew。如有其他线宽和叠构需求，可自行计算。投板时需将需要阻抗控制的线段高亮截图给板厂，要求板厂按要求进行微调管控。

7. 天线传输线设计规则

整段走线都要进行 50 欧姆阻抗控制。
与射频引脚相邻的地引脚不做热焊盘，要与地充分接触。
射频引脚到射频连接器之间的距离应尽量短，避免直角走线，建议走线夹角保持为 135°，也可将匹配的串位调整角度 45° 或 135°。
建立连接器件的封装时，信号脚需与地保持距离。
射频信号线参考的地平面应完整，在信号线和参考地周边增加一定量的地孔可帮助提升射频性能。
射频信号线必须远离干扰源，避免和相邻层的任何信号线交叉或平行。

8. 忠告

天线设计重要性：天线设计是 4G 模组应用中最容易踩坑的地方，也是行业内专业人员和行业外非专业人员经验差别最大的地方。
信号质量影响：天线设计的好坏直接影响信号质量。在基站信号好的地方，设计差的天线可能只是功耗大一点；但在基站信号不好的地方，就是能联网和不能联网的区别。
外置与内置天线：若使用外置天线，如棒状天线，只需内部 PCB 走线；若使用内置天线，其性能不仅与内部 PCB 走线有关，还与外壳材质、天线在外壳内的空间、天线周边器件干扰等有关，需找专业天线厂评估，设计之初就要与天线厂沟通，以免后续造成无法挽回的损失。
Air8000 的 WiFi Scan 功能：支持 WiFi Scan，与 4G 共用天线，无需单独针对 WiFi Scan 功能进行天线调试。
专业天线厂的作用：虽然文档讲了很多专业知识，但大多数用户无需深刻掌握，只需了解天线常识，多数情况下找专业天线厂帮忙即可。

合宙同学啰嗦版

背景概述

Air8000 模块属于 Cat.1 bis R13 架构，天线架构精简为单天线架构，去掉了分集接收天线，因此 Air8000 模块只需要一根天线。

本文主要讨论 Air8000 模块天线管脚到 4G 天线之间的电路设计和走线规则。

知识点： Cat.1 bis 相对于 Cat.1 的区别是，后者为两根天线(一根主天线，一根分集天线)，设计和应用上更简单，更符合低速物联网的实际应用场景。

天线的阻抗控制和匹配

由于 Air8000 射频天线传输的信号频率区间从 824MHz 到 2655MHz 不等(对应于 Air780 所支持频段 FDD:B1/3/5/8 和 TDD:B34/38/39/40/41 的频率空间)，属于高速模拟信号，因此对于 Air8000 模块的天线电路设计，主要目的是保证射频信号无损的从模块天线管脚传输至 4G 天线，也就是关注于模块和 4G 天线的射频 PCB 传输线以及匹配电路。

整个射频传输链路如下所示：

4G 模块---->PCB 传输线-----> 天线匹配---->PCB 传输线----> 射频连接器----> 同轴传输线---->4G 天线

说明：有些产品可能不需要“射频连接器”和“同轴传输线”，本文仅以需要“射频连接器”和“同轴传输线”的情况进行说明；

阻抗控制:

根据传输线理论，负载端的传输功率为:

其中 Γ 为反射系数；Z0 为传输线特征阻抗；V0 为传输电压。

由此可见

当反射系数为 0，即负载匹配时候，传送到负载的功率最大
当反射系数为 1，即负载失配时候，传送到负载的功率为 0。

因此，为了保证尽可能保证射频功率无损的传到 4G 天线，则必须保证 PCB 传输线的反射系数尽量接近 0，

而反射系数为：

其中 Γ 为反射系数；Z0 为传输线特征阻抗；Zl 负载端特征阻抗。

负载阻抗 ZL = Z0，根据反射系数的公式，分子为 0，所以，反射系数为 0。表示无反射。
当负载开路的时候，即负载阻抗无穷大，分子分母上的 Z0 可以忽略不计，所以，反射系数为 1。

对于射频系统的行业规范，射频器件输出阻抗和输入阻抗均是按照 50 欧姆特征阻抗来设计，因此，在我们设计 PCB 传输线时也要将传输线特征阻抗控制在 50 欧姆附近才能保证反射系数最小。

匹配网络:

由于模块射频管脚输出阻抗和 4G 天输入阻抗由于各种原因，无法完全做到精确 50 欧姆特征阻抗，总是会有容抗的成分，因此就需要增加匹配网络来调整信源和负载为纯组性，即负载阻抗与信源阻抗满足共轭匹配时，能够时负载得到最大功率。

通常在 4G 模块天线端预留 Π 型匹配网络，以便在 4G 天线调试时能够给与足够的匹配调整空间。

天线传输线的参考设计

模块天线电路的参考设计如下，虽然整个电路原理设计并不复杂，但天线走线的 PCB 设计非常重要，直接影响整个系统的射频指标性能。

注意：

连接到模块 RF 天线焊盘的 RF 走线必须使用微带线或者其他类型的 RF 走线，阻抗必须控制在 50 欧姆左右；
在靠近天线的地方预留 Π 型匹配电路，两颗电容默认不贴片，电阻默认贴 0 欧姆，待天线厂调试好天线以后再贴上实际调试的匹配电路；
Π 型匹配电路靠近天线放置；

常用的 PCB 50 欧姆阻抗控制堆叠方案：

二层 PCB 板共面波导结构，下方参考地为 L2 层；

2 层板 1.0mm 板厚：共面波导阻抗线到铜箔距离 6mil，线宽 21.77mil；

2 层板 1.2mm 板厚：共面波导阻抗线到铜箔距离 6mil，线宽 24.11mil；

2 层板 1.6mm 板厚：共面波导阻抗线到铜箔距离 6mil，线宽 25.42mil；

四层 PCB 板共面波导结构，下方参考地为 L3 层；

上图需要注意多层板结构参考地和阻抗线之间的层，需要将阻抗线投影区下方挖掉 5W 线宽的覆铜如上图 L2 层；

4 层板 1.2mm 板厚：共面波导阻抗线到铜箔距离 6mil，线宽 24.02mil；注意 L2 层阻抗线下方覆铜挖空处理。

4 层板 1.6mm 板厚：共面波导阻抗线到铜箔距离 6mil，线宽 26.43mil；注意 L2 层阻抗线下方覆铜挖空处理。

阻抗控制计算方式

下面是立创阻抗计算器网址，如果有其他线宽和叠构需求，请自行计算；投板的时候请将需要阻抗控制的线段高亮截图给板厂，要求板厂按要求进行微调管控。

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

天线传输线设计规则

在射频天线接口的电路设计中，为了确保射频信号的良好性能与可靠性，建议遵循以下设计原则：

传输线整段走线都要进行 50 欧姆阻抗控制；
与射频引脚相邻的地引脚不做热焊盘，要与地充分接触；
射频引脚到射频连接器之间的距离应尽量短，同时避免直角走线，建议走线夹角保持为 135°，也可以将匹配的串位调整角度 45°，或者 135°；
建立连接器件的封装时，信号脚需与地保持距离；
射频信号线参考的地平面应完整；在信号线和参考地周边增加一定量的地孔可以帮助提升射频性能；
射频信号线必须远离干扰源，避免和相邻层的任何信号线交叉或平行；

你一定要听的几句忠告

天线设计，是 4G 模组应用中最容易踩坑的地方，这也是所谓的行业内专业人员和行业外非专业人员最大的经验差别；
天线设计的差，信号质量就差，在基站信号好的地方体验不出来差别，最多就是功耗大一点(信号越差，发射功率越大，电流就越大，耗电量就越多)，但在基站信号不那么好的地方，就是能联网和不能联网的区别，体验一个天上一个地下；
如果使用的是外置天线，比如棒状天线，这时只需要内部 PCB 走线就可以，本文已经做了详细描述和提醒；如果使用的是内置天线，天线的性能不仅与内部 PCB 走线有关系，也与外壳的材质、天线在外壳内的空间以及天线周边的器件干扰等等都有关系，需要找专业的天线厂进行评估，尤其是在设计之初就要同天线厂进行沟通，以免后续生米做成熟饭造成无法挽回的损失；
Air8000 也支持 WiFi Scan，跟 4G 共用天线，不需要单独针对 WiFi Scan 功能进行天线调试；
虽然本文讲了很多关于天线方面的专业知识，但是对于大多数用户来说是不需要自己深刻掌握，只需要知道天线常识的来龙去脉就可以了，大多数时候只需要找专业的天线厂帮忙搞定即可；