Оптимизация беспроводной производительности на крошечных печатных платах для мобильных устройств

Спрос на более мелкие беспроводные устройства растет на потребительских рынках — носимые, медицинские гаджеты, трекеры — и в промышленных секторах, таких как освещение, безопасность и управление зданиями. По мере сокращения форм-факторов продуктов печатные платы, размещающие их антенны, становятся меньше, заставляя проектировщиков работать с уменьшенными заземляющими плоскостями и более жесткими энергобюджетами для батарейных устройств.

Решение этой проблемы критично, потому что каждый финальный дизайн должен пройти формальную сертификацию сети и правительства перед тем, как он сможет работать в сетях операторов. Субоптимальная антенна может не пройти сертификацию, переизлучать шум устройства или создавать помехи, которые ставят под угрозу пороги передачи и приема — особенно строгие в Соединенных Штатах, где регуляторные органы требуют точных метрик производительности.

Электрически малые антенны, работающие ниже 1 ГГц, идеально требуют длины заземляющей плоскости 100 мм или более для достижения приемлемой эффективности. Более короткие заземляющие плоскости снижают эффективность, повышая потребление энергии и затрудняя удовлетворение сетевого одобрения. Следовательно, проектировщики должны выделять достаточно места для надежной заземляющей плоскости, при этом размещая все компоненты на миниатюрной печатной плате.

Это эмпирическое правило применяется к распространенным IoT-, трекер- и фитнес-устройствам, которые обычно работают ниже 1 ГГц.

Носимые и медицинские устройства создают дополнительную преграду, потому что человеческое тело ослабляет RF-сигналы. Размещение антенны должно минимизировать эффекты блокировки телом, что означает тщательное рассмотрение ориентации и расстояния от тела.

Некоторые носимые устройства компактны до 50 мм, и некоторые продукты даже размещают множество антенн.

Несколько факторов влияют на производительность антенны в малом устройстве. Размер заземляющей плоскости первостепенен, но проектировщики также должны правильно позиционировать антенну, избегать близких шумных или металлических компонентов и выбирать подходящий материал корпуса.

Встроенные антенны — как они работают

Встроенная чип-антенна использует один излучатель; поверхность печатной платы выступает вторым плечом диполя. Если печатная плата слишком коротка, антенна не может эффективно резонансировать.

Резонанс связан с длиной волны: четвертьволновой монопол при 916 МГц требует заземляющей плоскости примерно 87 мм — практично для поверхностного монтажа. Проектировщики часто рассматривают заземляющую плоскость как отсутствующую половину волнового диполя, делая четвертьволновые монополы самым популярным выбором для компактных устройств.

Длина заземляющей плоскости

Для оптимальной эффективности заземляющая плоскость должна быть не менее четверти рабочей длины волны. На частотах ниже 1 ГГц это переводится в длину заземляющей плоскости 100 мм или более.

Рисунок 1 иллюстрирует, как эффективность резко падает при сокращении заземляющей плоскости, по диапазонам от 794 МГц до 2,69 ГГц.

Рисунок 1. (Источник: Antenova Ltd)

Эти измерения получены от 3G/4G чип-антенны, покрывающей 791–960 МГц, 1710–2170 МГц, 2300–1400 МГц и 2500–2969 МГц. Для работы ниже 1 ГГц обычно требуется заземляющая плоскость 100 мм. В США 4G-диапазоны, такие как 698 МГц или B71 T-Mobile на 617 МГц, требуют еще более длинных заземляющих плоскостей.

Позиционирование антенны на ее печатной плате

Размещение в RF-разметке и стеке печатной платы критично. Многие антенны работают лучше в углах или краях, но конкретные рекомендации зависят от даташита производителя.

Рисунок 2 показывает пример зазора вокруг антенны на печатной плате носимых часов.

Рисунок 2. (Источник: Antenova Ltd)

Рисунок 3 демонстрирует подходящее размещение для часов, уважающее требуемые зоны зазора, отмеченные красным.

Рисунок 3. (Источник: Antenova Ltd)

Избегайте размещения шумных компонентов — батарей, ЖК-дисплеев — рядом с антенной. Шум, связанный с антенной, ухудшает принимаемый сигнал. Держите антенну подальше от тела; синяя зона на Рисунке 3 указывает оптимальное разделение.

Когда медные трассы формируют часть антенны, тщательно следуйте эталонному дизайну производителя для обеспечения правильного RF-подачи и заземления.

Общая RF-разметка и стек печатной платы

Максимизируйте производительность антенны путем продуманного размещения RF-элементов. Избегайте разрезания заземляющей плоскости трассами или распределения ее по нескольким слоям; непрерывная заземляющая плоскость позволяет антенне излучать более эффективно.

Держите компоненты вроде ЖК-дисплеев и батарей в стороне от области антенны для предотвращения помех.

Для многодиапазонной работы рекомендуется четырехслойная печатная плата. Рисунок 4 показывает типичный стек: верхний и нижний слои обеспечивают твердые заземляющие плоскости, в то время как цифровые сигналы и маршрутизация питания занимают промежуточные слои.

Рисунок 4. (Источник: Antenova Ltd)

Настройка антенны для производительности

Если заземляющая плоскость не может достичь идеальной длины, рассмотрите эти альтернативы:

• Региональная настройка. Сужьте рабочий диапазон антенны для соответствия конкретному 4G-распределению страны, улучшая эффективность.
• Активные согласующие сети. Добавьте PI-согласующую сеть рядом с точкой питания для компенсации потери полосы на малых заземляющих плоскостях (< 75 мм). RF-специалисты часто помогают проектировать эти схемы.

Рисунок 5 отображает согласующую сеть на оценочной плате.

Рисунок 5. (Источник: Antenova Ltd)

Проектирование линии передачи

После определения материала печатной платы, толщины и диэлектрической постоянной, можно спроектировать копланарную линию передачи, используя стандартные RF-инструменты трассировки. Это обеспечивает характеристическое сопротивление 50 Ом, соответствующее трансиверу и усилителю мощности.

Antenova предлагает бесплатный калькулятор RF линии передачи для помощи проектировщикам.

Дополнительные соображения

Когда несколько антенн делят печатную плату, пространственное разделение и ортогональная ориентация необходимы для поддержания изоляции. Для MIMO-систем тщательная разметка поддерживает низкую перекрестную корреляцию.

Рисунок 6 показывает конфигурации близости для диверситета.

Рисунок 6. (Источник: Antenova Ltd)

Рисунок 7 иллюстрирует противоположные конфигурации для диверситета.

Рисунок 7. (Источник: Antenova Ltd)

Корпуса должны избегать металлических частей рядом с антенной; даже металлизированные покрытия могут сместить резонанс и уменьшить полосу. Металлическая близость также может блокировать излучение и ухудшать общий рисунок.

Заключение

При включении антенны в дизайн малой печатной платы начните с выбора антенны и ее размещения. Этот подход «антенна-первой» гарантирует, что RF-производительность оптимизируется до добавления других компонентов, значительно увеличивая вероятность успешного одобрения оператора. В то время как регуляторные органы налагают строгие требования к эффективности, AT&T ослабил пороги для устройств меньше 107 мм.

Применение этих рекомендаций помогает проектировщикам создавать компактные, эффективные и совместимые беспроводные продукты.