Как добавление антенны меняет процесс проектирования

Цикл проектирования немного отличается, когда продукт является беспроводным и требует антенны. Антенны меняют процесс проектирования, потому что их нужно размещать осторожно, в лучшем месте на печатной плате, и важно учитывать их взаимосвязь с некоторыми другими компонентами конструкции.

В идеале разработчик должен расположить ВЧ-элементы конструкции до рассмотрения других компонентов. В этой статье мы рассмотрим дополнительные этапы, которые антенна добавляет в цикл проектирования, начиная с выбора наиболее подходящей антенны.

Выбор антенны

Самые популярные встраиваемые антенны - это группа устройств поверхностного монтажа (SMD). Они популярны в основном из-за эффективного использования пространства на плате, но также и потому, что они могут обеспечить отличную производительность внутри устройства. Эти антенны крошечные; они могут иметь диаметр всего 1 мм и оплавляются непосредственно на главную печатную плату в процессе сборки платы. Как правило, они изготавливаются из высококачественного диэлектрического ламината.

Разработчик также может рассмотреть возможность использования готового антенного модуля. Они содержат антенну в небольшой упаковке с другими компонентами, готовыми к использованию в конструкции. Основным преимуществом выбора антенного модуля является тот факт, что он может быть встроен в конструкцию, а ВЧ-схема предоставляется в готовом виде.

Антенны с гибкой печатной схемой (FPC) могут быть интересным вариантом, когда компоновка компонентов конструкции ограничена доступным пространством на плате или где по какой-то причине антенна SMD не может легко поместиться. FPC состоит из тонкого слоя медной защитной ленты со встроенным кабелем и UFL-соединителем, соединяющим их с печатной платой. Он достаточно тонкий, чтобы его можно было слегка согнуть до изогнутой поверхности и заправить в небольшое пространство внутри устройства, возможно, закрепить внутри внешнего корпуса конструкции. FPC - хороший выбор там, где мало места, и они популярны в небольших портативных устройствах.

Если конструкция устройства содержит материалы, которые могут снизить производительность, разработчик может выбрать внешнюю антенну (рис. 1). Встроенные антенны, как правило, не обеспечивают высоких характеристик рядом с металлическими компонентами, поэтому, если в конструкцию включены крупные металлические элементы, антенна на терминале или в корпусе, размещенная снаружи устройства, может обеспечить наилучшие характеристики.

Рис. 1. Варианты внешней антенны включают (слева направо) антенну SMD, антенну FPC или оконечные антенны. Источник:Антенова

Эти антенны производятся из собственного изоляционного материала для изоляции радиочастотного сигнала, и если поблизости есть металлические детали, они все равно будут работать с минимальными потерями. Антенны на корпусе освобождают место на печатной плате для других компонентов, и, поскольку они не так чувствительны к другим частям конструкции, их легче интегрировать.

Размещение антенны

Из всех компонентов типичной беспроводной конструкции антенна, вероятно, наиболее чувствительна к ее положению. Поэтому рекомендуется с самого начала решить, как разместить антенну.

Антенна SMD припаяна непосредственно к главной печатной плате, и положение антенны влияет на ее радиочастотные характеристики. Антенна излучает в шести направлениях вдоль оси, обычно по длине антенны. Это означает, что для хорошей работы он должен иметь как можно больше направлений, свободных от отражающих и поглощающих препятствий. По этой причине антенны часто размещаются на углу печатной платы или предназначены для использования на одном из краев печатной платы. Производители проектируют свои антенны для работы в разных положениях, и в таблице данных для каждой антенны будет указано, как именно излучает антенна и как разместить ее на главной печатной плате для оптимизации производительности.

Рис. 2. SMD-антенна размещается на длинном крае печатной платы. Источник:Антенова

Есть определенные компоненты, которые необходимо размещать как можно дальше от антенны, поскольку они создают шум и могут влиять на излучаемые характеристики антенны. Основными виновниками возникновения помех являются двигатели, аккумуляторы и любые компоненты с высоким содержанием металлов, например ЖК-дисплеи.

Наконец, внешний кожух устройства также может вызывать прерывание излучаемых полей антенны. Если устройство имеет пластиковую крышку, будьте осторожны, потому что пластик имеет более высокую диэлектрическую проницаемость, чем воздух, и, вероятно, может расстроить резонансную частоту антенны.

Наземные плоскости и дизайн платы для RF

Антенны SMD обычно требуют заземления для излучения. Во встроенной конструкции заземляющая пластина - это часть печатной платы, которая обеспечивает плоскую смежную поверхность для возвратно-поступательного движения радиочастотного сигнала. Заземляющий слой должен иметь определенную длину, которая соответствует наибольшей длине волны антенны. Поэтому очень важно обеспечить правильное пространство для заземляющего слоя на печатной плате, так как это позволит антенне эффективно излучать.

Опять же, это будет объяснено в спецификации производителя антенны. Иногда заземляющий слой находится под антенной, а иногда и рядом с ней; это будет варьироваться от антенны к антенне и будет определяющим фактором при выборе антенны SMD.

Антеннам не только требуется заземляющий слой, но и часто требуется определенное пространство вокруг них, чтобы не было никаких других компонентов - это закрытая зона. Требования к удалению для каждой антенны также уникальны для каждой отдельной антенны, и эти области необходимо держать в стороне от других компонентов, возможно, через несколько слоев, если не на всей плате под антенной.

Радиочастотные характеристики устройства будут наилучшими, если радиочастотные трассы от радиомодуля до антенны будут как можно короче. Это связано с тем, что более длинные линии передачи более подвержены отражениям и потерям энергии сигнала в медной дорожке, что может ухудшить общие излучаемые характеристики устройства. Поэтому мы рекомендуем размещать ВЧ-элементы конструкции как можно ближе к антенне.

В некоторых конструкциях будет выгодна схема согласования с сосредоточенными элементами, такая как схема согласования Pi, внутри ВЧ-схемы для настройки антенны для улучшения рабочей полосы пропускания.

Рис. 3. Конструкция антенны со схемой активной настройки позволяет преодолеть уменьшение полосы пропускания, наблюдаемое при использовании заземляющей поверхности меньшего размера. Источник:Антенова

Проверка Gerber и радиочастотное тестирование

Прежде чем проект будет завершен, обзор макета файла Gerber обеспечивает хорошую проверку ВЧ-цепей и линий передачи в наложении слоев конструкции печатной платы и помечает любые области, которые не совсем правильны. Обзор Gerber проверяет, что антенна, модуль, линии передачи, переходные отверстия и материалы печатной платы оптимизированы для обеспечения хороших радиочастотных характеристик. Некоторые компании, занимающиеся разработкой антенн, взимают плату за обзоры Gerber, в то время как другие предлагают это бесплатно, или вы можете использовать для этой цели пакет программного обеспечения.

Следующий тест будет заключаться в том, чтобы измерить, насколько хорошо антенна работает на своей печатной плате. Это делается в безэховой камере. Однако антенна может хорошо работать в идеальных условиях камеры, а затем вести себя по-другому в своем конечном применении, когда люди и объекты в окружающей среде могут влиять на излучение антенны. Таким образом, с учетом конструкции носимого устройства или медицинского устройства, которое будет использоваться рядом с телом человека, антенну следует настроить и протестировать с помощью фантомной головы или фантомной руки в безэховой камере.

Еще несколько тестов могут оценить, насколько хорошо эта конструкция будет работать в реальной жизни:пассивное тестирование, тестирование по воздуху (OTA) и радар с синтезированной апертурой (SAR). Результаты будут измерены для определения эффективности, побочных излучений, общей излучаемой мощности и общей изотропной чувствительности.

Очень важно протестировать конструкцию, чтобы убедиться, что устройство будет правильно работать при повседневном использовании и не будет создавать излучения или помехи. Эти тесты имеют решающее значение, если проект требует утверждения сети оператора связи, и обычно используются специализированные службы тестирования радиочастот.

Наконец, каждый проект сотовой сети должен быть сертифицирован оператором мобильной связи, чтобы получить разрешение на использование в его сети.

>> Эта статья была первоначально опубликована на наш дочерний сайт EDN.

---

Джефф Шультейс является специалистом по применению радиочастотных антенн и руководит технической поддержкой проектов компании Antenova для Северной Америки.

---

Связанное содержание:

• Интеграция чип-антенн в печатную плату:понимание согласования антенн
• Как повысить производительность беспроводной связи для мобильных устройств с небольшими печатными платами
• Решение проблем, связанных с дизайном печатных плат.
• Преобразование микросхем и системных коммуникаций
• Как системные шумы в цифровых интерфейсах могут привести к ложным ошибкам в последовательной флэш-памяти.

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