Как разместить две или более антенн в одной конструкции

Спроектировать печатную плату с более чем одной антенной непросто . В этой статье освещаются некоторые факторы, которые влияют на поведение антенн и их радиочастотные сигналы и которые следует учитывать при компоновке печатной платы.

Размещение антенны в конструкции всегда требует осторожности, но когда в конструкции используются две или более антенны, еще более важно понимать, как антенны излучают, как они будут работать вместе и как их взаимное расположение повлияет на сигнал.

Как правило, антенны SMD предназначены для сосуществования рядом с другими компонентами при соблюдении некоторых основных правил.

Совет:держите антенны подальше от других шумных компонентов и оставляйте заземляющий слой под антенной, чтобы позволить ей эффективно излучать. Важно, чтобы пространство под антенной оставалось свободным по всей сборке печатных плат.

Чтобы спроектировать устройство с несколькими разными антеннами внутри, вам нужно знать, как несколько антенн будут сосуществовать и работать в единой системе на печатной плате. Требование к различным радиосистемам работать с антеннами, расположенными в непосредственной близости друг от друга, называется «сосуществованием внутри устройства».

В некоторых случаях две антенны используются для совместной работы на одной и той же частоте в конфигурации разнесения, что обеспечивает более сильную передачу, чем одна антенна. В других случаях устройству требуется более одного беспроводного соединения, работающего на разных частотах, и конструкция должна предусматривать некоторое разделение между ними, чтобы они могли работать независимо в «сосуществовании».

Хорошая конструкция позволяет добиться высокой производительности и надежности всех антенн на плате. Задача дизайнера - разместить антенны таким образом, чтобы обеспечить изоляцию между всеми антеннами и позволить им всем правильно работать вместе.

Диаграммы излучения

Каждая антенна имеет свою диаграмму направленности, которая будет указана в технических данных производителя, поскольку антенна излучает в идеальных условиях, например, в безэховой камере.

Диаграммы излучения обычно показаны в виде трехмерного рисунка и в виде двухмерного поперечного сечения этого рисунка. Антенна излучает вокруг оси, которая проходит по длине антенны, и электрическая энергия от антенны наиболее сильно отражается в направлении, перпендикулярном этой оси. Это поляризация антенны.

Диаграмма направленности антенны обычно измеряется в центре полосы частот, в которой она будет использоваться.

Рис. 1. Трехмерная диаграмма направленности антенны LTE на частоте 1990 МГц. (Источник:Antenova)

щелкните, чтобы просмотреть изображение в полном размере

Рис. 2. Диаграмма направленности той же антенны LTE на 1990 МГц, поперечное сечение. (Источник:Antenova)

Разнообразие пар

Разнесение - это антенный метод, при котором две антенны используются вместе на одной и той же частоте для создания более надежного беспроводного соединения. Это отличное решение для мобильных беспроводных устройств, которые перемещаются в свободном пространстве, поскольку две антенны, работающие вместе в тандеме, с большей вероятностью обеспечат надежную связь при перемещении устройства.

При разнесении первая антенна является основной антенной, а вторая антенна - разнесенной антенной. Две антенны могут использовать одну и ту же пластину заземления, и они размещаются в разных пространственных зонах, это снижает «связь» - явление, при котором две антенны отражают одинаковые сигналы.

В конфигурации разнесения обе антенны передают одновременно, но указывают в разных направлениях. Затем приемник будет принимать более сильный из двух сигналов, что повысит надежность принимаемого сигнала. Пара антенн может быть размещена на противоположных углах или на противоположных сторонах печатной платы.

Когда антенны используются в конфигурации разнесения, они размещаются для уменьшения связи, то есть две антенны размещаются таким образом, чтобы их диаграммы направленности полностью отличались друг от друга.

Поляризация

Поляризация антенны параллельна длинной оси антенны, и антенна излучает свою энергию перпендикулярно этой оси, с зонами нулевой мощности на каждом конце антенны.

Для наилучшей взаимной корреляции пара разнесенных антенн должна быть размещена с перекрестной поляризацией, различной поляризацией в пространстве и по полярности. Приемник принимает самый сильный сигнал от одной или другой антенны. Это обеспечивает более сильный прием, чем можно получить с помощью одной антенны. На практике это обычно означает, что две антенны будут размещены под углом 90 ° друг к другу, что обеспечит разную поляризацию и отправит более надежные сигналы на приемник при перемещении устройств.

Уменьшение эффектов сопряжения

Антенна-антенна - естественное явление в компактном устройстве. Это уменьшает диаграмму направленности и увеличивает межканальные помехи для каждой антенны. Это также изменяет входные характеристики антенны. Вы можете минимизировать эффекты связи, протравив сквозные отверстия на плоскости заземления.

Расстояние между антеннами

Расстояние между двумя разнесенными антеннами должно составлять не менее четверти длины волны, и расстояние между ними будет влиять на сигнал.

щелкните, чтобы просмотреть изображение в полном размере

Рисунок 3:Пример. На диаграмме показана зависимость развязки от расстояния от главной антенны до разнесенной антенны. Для сравнения показаны 40 мм, 25 мм и 20 мм. В этом примере показана антенна Integra SR4L049 компании Antenova. (Источник:Antenova)

Изоляция антенн на разных частотах

Антенны, работающие на разных частотах, следует размещать так, чтобы они не мешали друг другу. Что касается антенн, они должны быть электрически изолированы друг от друга. Цель состоит в том, чтобы разместить каждую антенну так, чтобы она обеспечивала высокую производительность, однако изоляция может снизить мощность излучения антенны. Значение изоляции измеряется как коэффициент S21 с помощью анализатора цепей.

Есть несколько способов улучшить изоляцию между антеннами. Простое размещение антенн дальше друг от друга с учетом их диаграмм направленности создаст некоторое разделение, которое поможет.

Размещение антенн таким образом, чтобы между каждой парой антенн была изоляция, поможет им излучать независимо друг от друга, но с некоторым уменьшением мощности передачи каждой из них.

Следующий вариант - использовать фильтр для снижения эффективности одной антенны по частоте, необходимой для противоположной антенны.

Рис. 4. Управление лучом - это антенный метод для улучшения развязки и взаимной корреляции в приложениях с разнесением. (Источник:Antenova)

ECC (коэффициент корреляции конверта)

Для проверки возможности развязки антенной системы MIMO, ECC является важным критерием качества работы антенных систем MIMO для изучения. ECC можно рассчитать на основе S-параметров или характеристик дальнего поля антенной системы. ECC, основанный на параметрах дальнего поля, учитывает направление излучаемого луча каждой антенны в антенной системе MIMO, тогда как ECC, основанный на S-параметрах, учитывает характеристики портов двух антенн.

ECC, основанный на свойствах дальнего поля, считается более точным при анализе изоляции, хотя это более сложно из-за необходимости измерения диаграмм направленности антенны. Значение ECC менее 0,5 обычно считается приемлемым для антенной системы MIMO.

щелкните, чтобы просмотреть изображение в полном размере

Излучение и обратные потери
Рис. 5. На изображении показаны графики излучения для двух антенн, установленных параллельно и под прямым углом, а также то, как вторая конфигурация показывает более стабильный сигнал. (Источник:Antenova)

Заключение

Многие мобильные устройства используют несколько беспроводных подключений. Это может быть любая комбинация антенн позиционирования 4G / LTE, MIMO / WLAN, Bluetooth или GNSS, и в одной конструкции легко может быть пять или шесть антенн - например, разнесенные антенны для LTE / 4G для обеспечения сотовой связи, Wi- Антенна Fi для Bluetooth и антенна GNSS для определения местоположения. В этом случае цель состоит в том, чтобы все антенны работали бок о бок, но не мешали друг другу в мультисистемной среде. Если сосуществование не рассматривается, вполне возможно, что сильный сигнал LTE / 4G заблокирует сигнал от меньшей антенны, такой как крошечная антенна Wi-Fi.

Спроектировать печатную плату с более чем одной антенной непросто. В этой статье освещаются некоторые факторы, которые влияют на поведение антенн и их радиочастотные сигналы и которые следует учитывать при компоновке печатной платы. Чтобы убедиться, что все компоненты работают правильно вместе, печатную плату следует отправить на воздушное тестирование в безэховой камере. Он выделит любые изменения, которые необходимы в конструкции, и покажет, как антенны ведут себя вместе, и предскажет реальную производительность устройства.

---

Джефф Шультейс является старшим инженером по применению антенн в компании Antenova Ltd. Джефф имеет более чем 20-летний опыт проектирования, интеграции и тестирования антенн. В настоящее время он возглавляет службу технической поддержки клиентов Antenova в Северной Америке. Он профессионально занимается разработкой антенн с более чем 20-летним опытом проектирования, интеграции и тестирования антенных систем для потребительских товаров, от исследований и разработок до производства и коммерческого внедрения.

---

Связанное содержание:

• Как добавление антенны меняет процесс проектирования
• Интеграция чип-антенн в печатную плату:понимание согласования антенн
• Как повысить производительность беспроводной связи для мобильных устройств с небольшими печатными платами
• 5G и GaN:понимание инфраструктуры Massive MIMO менее 6 ГГц
• Как программно определяемые радиостанции обрабатывают сверхширокую настройку частоты.

Чтобы получить больше информации о Embedded, подпишитесь на еженедельную рассылку Embedded по электронной почте.