Как повысить производительность беспроводной связи для мобильных устройств с небольшими печатными платами

Спрос на беспроводные устройства меньшего размера растет для использования в потребительских приложениях, таких как носимые устройства, медицинские устройства и трекеры, а также в промышленных приложениях, таких как освещение, безопасность и управление зданиями. Отсюда следует, что для электронных устройств меньшего размера потребуются меньшие печатные платы, а это означает, что антенны должны работать с более короткими заземляющими поверхностями, а если они работают от батареи, мощность также является фактором, поскольку устройство не должно потреблять слишком много энергии.

Это представляет собой серьезную проблему для дизайнера продукта. Конечная конструкция должна быть представлена ​​на официальное утверждение сети и правительства, прежде чем новый продукт можно будет использовать в сетях оператора связи, и эта конструкция, скорее всего, выйдет из строя, если антенна не работает правильно или если устройство создает радиопомехи из-за переизлучающий шум от устройства. Отсюда следует, что еще труднее получить одобрение оператора связи для продукта меньшего размера, потому что труднее достичь производительности беспроводной связи, достаточной для прохождения минимальных уровней передачи и приема. Это особенно верно в США, где дизайн должен соответствовать строгим критериям, чтобы получить одобрение сети.

Это факт, что для работы электрически малогабаритных антенн на частотах ниже 1 ГГц им в идеале необходима длина заземляющего слоя 100 мм или более для достижения хороших характеристик и эффективности. Если эффективность антенны упадет, это вызовет проблемы с энергопотреблением и получением одобрения сети для готового продукта. Это означает, что задача дизайнера продукта состоит в том, чтобы создать такую ​​конструкцию, в которой будет достаточно места для правильной работы антенны и при этом уместить все компоненты в меньшую печатную плату.

Это особенно актуально для антенн, работающих на частотах ниже 1 ГГц, которые обычно используются в таких продуктах, как устройства Интернета вещей, трекеры продуктов, устройства для фитнеса и другие подобные небольшие устройства.

Носимые устройства и медицинские устройства, которые используются рядом с человеческим телом, представляют собой особую проблему. Человеческое тело ограничивает радиочастотные сигналы, поэтому разработчик должен учитывать, как антенна будет излучать, и обязательно разместить антенну таким образом, чтобы человеческое тело не препятствовало передаче сигналов.

Носимые устройства могут быть размером от 50 мм и даже меньше. И некоторые из них могут использовать более одной антенны!

Есть несколько факторов, которые влияют на работу антенны в небольшом устройстве, и в этой статье мы рассмотрим их, в свою очередь. Первым и наиболее важным является заземляющий слой, который во многих случаях необходим для излучения антенны. Но это еще не все, разработчик должен правильно разместить антенну и рассмотреть другие компоненты и их положение по отношению к антенне, чтобы гарантировать, что на пути антенны не будет ничего шумного или металлического. Наконец, корпус устройства может иметь значение, и мы выделим основные материалы, которых следует избегать.

Встроенные антенны - как они работают

В дипольной антенне для работы используются два излучателя, а во встроенной чиповой антенне - только один. Для встроенной антенны поверхность печатной платы становится вторым излучателем. Это объясняет, почему, если длина печатной платы слишком мала, антенна не будет работать эффективно.

Резонанс антенны напрямую зависит от ее длины волны. Антенна должна резонировать на целых числах, кратных или долях длины волны, причем наименьшая резонансная длина должна составлять четверть длины волны.

Двухволновая антенна на частоте 916 МГц должна иметь длину примерно 327 мм, что непрактично для встроенной антенны, но четвертьволновая версия практична при длине заземляющего слоя 87,2 мм. Он будет намотан на медные дорожки и слои, которые скрыты внутри крошечной чиповой антенны, установленной на поверхности.

Разработчики антенн обошли это ограничение, используя пластину заземления в качестве недостающей половины полуволнового диполя, поэтому четвертьволновая монопольная антенна излучает на пластину заземления. Поэтому наиболее популярными встроенными антеннами в небольших беспроводных устройствах, как правило, являются четвертьволновые монопольные антенны.

Длина грунтовой поверхности

Для эффективной работы встроенной антенны заземляющий слой должен иметь длину не менее четверти длины волны антенны на ее самой низкой частоте. Соответственно, на более низких частотах конструкция будет намного проще, если площадь заземления составляет 100 мм или больше.

Характеристики встроенной антенны напрямую зависят от длины ее заземляющего слоя, поэтому обеспечение правильной длины плана заземления является самой большой проблемой для небольших конструкций.

На рисунке 1 показано соотношение между длиной заземляющего слоя и эффективностью антенны от 794 МГц слева до 2,69 ГГц справа.

Рис. 1. (Источник:Antenova Ltd)

Эти результаты ясно показывают, как падает эффективность антенны для небольших наземных поверхностей на частотах ниже 1 ГГц. Эти результаты были получены для чиповой антенны 3G / 4G, работающей на частотах 791–960 МГц, 1710–2170 МГц, 2300–1400 МГц и 2500–2969 МГц.

Обычно заземляющий слой должен быть 100 мм или более для устройства, использующего частоты ниже 1 ГГц. В США для частот 4G используются диапазоны от 698 МГц или даже 617 МГц, как в случае с диапазоном B71 T Mobile, требующим заземления даже более 100 мм.

Размещение антенны на печатной плате

Далее мы должны рассмотреть положение антенны на печатной плате и ее размещение по отношению к другим компонентам. Антенна должна быть размещена в наиболее удобном месте в общей схеме ВЧ и на печатной плате, чтобы обеспечить эффективное излучение.

Каждая отдельная антенна предназначена для эффективной работы в нескольких местах на печатной плате. Часто это угол или край, однако каждая антенна отличается, поэтому важно выбрать антенну, которая вписывается в дизайн, и разместить ее в соответствии с рекомендациями производителя для этой антенны.

На рис. 2 показано, как антенна размещается свободным пространством в небольшом устройстве, таком как носимый продукт или часы.

Рисунок 2. (Источник:Antenova Ltd)

На рисунке 3 показано подходящее размещение антенны для конструкции часов. В конструкции сохраняется рекомендуемый зазор, указанный выше и ниже этой антенны, которая показана красным.

Рисунок 3. (Источник:Antenova Ltd)

Не размещайте шумные компоненты, такие как аккумулятор или ЖК-дисплей, рядом с антенной секцией. Антенны - это пассивные компоненты, которые получают энергию и улавливают шум, излучаемый зашумленными компонентами, и передают этот шум на радио, ухудшая принимаемый сигнал. Антенна также должна быть размещена подальше от человеческого тела, чтобы улучшить РЧ характеристики, это расстояние отмечено синим цветом на Рисунке 3 выше.

Расположение ВЧ-источника и заземления критически важно для работы антенны. При использовании небольших антенн, встроенных в небольшие печатные платы, медные дорожки, протравленные на печатной плате, могут составлять неотъемлемую часть антенны, поэтому следует соблюдать спецификации производителя или эталонный дизайн.

Общая разводка ВЧ и стека печатных плат

Вы можете максимизировать производительность антенны, внимательно продумав расположение ВЧ-элементов в конструкции. Медная заземляющая пластина не должна быть прорезана дорожками или размещена более чем на одном слое, тогда заземляющая часть антенны сможет излучать более эффективно.

Очень важно не допускать попадания таких компонентов, как ЖК-дисплей или батареи, в зону антенны на печатной плате, так как они могут повлиять на излучение антенны.

Для многополосных частот мы предлагаем компоновку печатной платы минимум из четырех слоев.

На рисунке 4 показано, как верхний и нижний слои обеспечивают плоскости заземления, в то время как цифровые сигналы и питание, которые должны находиться вдали от плоскости заземления, проходят в пространстве между ними.

Рисунок 4. (Источник:Antenova Ltd)

Настройка антенны на производительность

В тех случаях, когда заземляющий слой короче идеального, разработчик может рассмотреть другие методы повышения производительности встроенной антенны.

Один из способов - настроить антенну на страну, в которой она работает. Частотный диапазон 4G широк, от 698 МГц до 2690 МГц, но каждый регион мира использует только часть этого диапазона, и антенна может работать только на одной частоте за раз. Это означает, что когда продукт будет использоваться в одном географическом регионе, его можно настроить для работы в более узком участке полосы частот. Это повысит эффективность антенны.

Другой метод состоит в том, чтобы включить активную настраиваемую сеть, по сути, дополнительную схему переключения РЧ, которая поможет преодолеть сокращение полосы пропускания, вызванное меньшим заземлением, когда главная печатная плата составляет менее 75 мм. Схема согласования PI добавляется рядом с точкой питания антенны для точной настройки антенны и повышения производительности. При проектировании согласующей схемы обычно требуется помощь специалиста по радиочастотам.

На рисунке 5 показана согласующая схема на оценочной плате антенны.

Рисунок 5. (Источник:Antenova Ltd)

Проектирование ЛЭП

После того, как материал для печатной платы выбран и известны его толщина и диэлектрическая проницаемость, можно спроектировать копланарную линию передачи с использованием одного из имеющихся в продаже пакетов программного обеспечения для проектирования радиочастотных трасс. При этом будет использоваться толщина печатной платы, разделение медных слоев и диэлектрическая проницаемость подложки для расчета оптимальной ширины линии передачи и соответствующих зазоров с обеих сторон для достижения копланарной линии передачи 50 Ом.

Все линии передачи должны иметь характеристический импеданс 50 Ом, а другие части ВЧ-системы, такие как трансиверы или усилители мощности, также должны быть спроектированы с импедансом 50 Ом.

Antenova предлагает бесплатный инструмент для расчета линии передачи РЧ, чтобы помочь проектировщикам определить размер линии передачи.

Другие факторы

На одной печатной плате может быть несколько антенн, работающих на разных частотах, но расположенных в непосредственной близости. Если антенна предназначена только для приема, например, приемник GPS, она может быть отключена ближайшей передающей антенной, такой как радио 4G, что снижает точность системы GPS. Необходимо соблюдать осторожность, чтобы разделить эти антенные системы либо по физическому расстоянию между антеннами - убедитесь, что антенны ортогональны друг другу, - либо по надрезам на плоскости заземления, чтобы удалить токи заземления, разделяемые между антеннами.

В системах с множеством входов и множеством выходов (MIMO) конструкция потребует более одной антенны, которые должны быть размещены одна относительно другой, чтобы они могли сосуществовать. Затем их можно сопоставить с одинаковыми частотами. Крайне важно, чтобы антенны были размещены так, чтобы изоляция и взаимная корреляция находились в допустимых пределах. Как упоминалось выше, необходимо соблюдать осторожность, чтобы разделить антенну в устройстве либо по физическому расстоянию между антеннами, убедившись, что антенны ортогональны друг другу, либо зарезав пластину заземления между антеннами, чтобы удалить токи заземления, разделяемые между антеннами. антенны.

На рисунке 6 показаны конфигурации близости для разнесения.

Рисунок 6. (Источник:Antenova Ltd)

На рисунке 7 показаны противоположные конфигурации для разнообразия.

Рисунок 7. (Источник:Antenova Ltd)

Внешний корпус не должен содержать металла рядом с антенной, но некоторые металлизированные покрытия приемлемы, поскольку они не проводят эффективную энергию. Металлические предметы возле антенны могут привести к понижению частоты антенны. Это также может уменьшить полосу пропускания, для работы с которой предназначена антенна. Другая проблема с металлическими предметами рядом с антенной заключается в том, что металлические предметы блокируют сигнал в направлении, в котором находится металл, что снижает общую диаграмму направленности и, возможно, приводит к ухудшению сигнала настолько, что теряется связь с базовой станцией.

Заключение

Если конструкция продукта должна включать антенну, особенно если используется небольшая печатная плата, мы рекомендуем сначала выбрать антенну и сначала разместить ее на печатной плате. Так проще сделать, чем вставлять антенну в готовую конструкцию. Первоначально подумать об антенне - обычно самый быстрый способ достичь проекта, в котором ВЧ-элемент будет работать так, как должен.

Это увеличит шанс получить одобрение сети для устройства. Антенна должна работать эффективно, чтобы получить одобрение, а правила жесткие. Однако AT&T сделала поправку на устройства размером менее 107 мм и снизила порог эффективности для этих небольших устройств.