Проектирование многоантенных PCB-макетов: лучшие практики для коэкзистенции и изоляции

Почему важно многоантенное проектирование

Современные мобильные устройства регулярно размещают несколько беспроводных интерфейсов — 4G/LTE, Wi-Fi, Bluetooth и GNSS — на одной PCB. Проектирование для более чем одной антенны не тривиально; антенны должны сосуществовать без деградации производительности друг друга. Это руководство охватывает ключевые факторы, влияющие на поведение антенн, от излучательных паттернов до техник изоляции, и показывает, как развести PCB, обеспечивающий надежные, высококачественные сигналы.

Основы коэкзистенции

Когда несколько антенн упакованы в устройство, термин in-device coexistence (внутриустройственная коэкзистенция) относится к их способности работать одновременно без значимого взаимного интерференцирования. Цель дизайна — достичь адекватной изоляции, сохраняя излучательную эффективность каждой антенны.

Ключевые правила проектирования

• Держите антенны вдали от шумных компонентов, таких как стабилизаторы напряжения и цифровая логика.
• Обеспечьте чистую, непрерывную землю под каждой антенной для поддержки правильного излучения.
• Поддерживайте чистое пространство под антенной во всем стеке PCB.
• Когда антенны разделяют одну землю, используйте техники вроде вытравленных виа для разрыва непрерывности земли и снижения сопряжения.

Излучательные паттерны и поляризация

У каждой антенны есть характерный излучательный паттерн — часто отображаемый как 3D-форма и 2D-сечение в даташите. Паттерн показывает, как антенна излучает вокруг своей оси, с сильнейшим излучением перпендикулярно длинной оси антенны (ее поляризации).

Диверсити-антенны

Диверсити использует две антенны на одной частоте для улучшения надежности связи. Первая антенна — основная; вторая — диверсити-элемент. Размещая две антенны в отдельных пространственных зонах — типично на 90° друг от друга и разделенных минимум на четверть длины волны — вы уменьшаете взаимное сопряжение и создаете комплементарные излучательные паттерны.

В конфигурации диверсити обе антенны передают одновременно, а приемник выбирает более сильный сигнал. Эта стратегия особенно эффективна в мобильных средах, где мультипутной замирание обычно.

Снижение антенна-антенны сопряжения

Сопряжение может искажать входное импеданс антенны и снижать излучательную эффективность. Общие техники смягчения включают:

• Увеличение физической разделии (например, 20–40 мм для многих LTE антенн).
• Использование изоляционных структур, таких как вытравленные виа земляной плоскости.
• Применение луч-направляющих фильтров для аттенуации сигнала одной антенны в частотном диапазоне другой.

Изоляция между антеннами разных частот

Антенны, работающие на разных диапазонах, должны быть электрически изолированы для предотвращения перекрестных помех. Изоляция квантифицируется коэффициентом S21, измеренным сетевым анализатором. Практические стратегии включают:

• Физическое разделение, направленное излучательным паттерном каждой антенны.
• Селективная фильтрация, подавляющая ответ одной антенны на частоте другой.
• Оптимизированная маршрутизация земляной плоскости и размещение виа.

Измерение коэффициента конвертной корреляции (ECC)

ECC — ключевая метрика для MIMO-производительности. Значения ниже 0.5 указывают на приемлемую изоляцию. ECC может быть получена из S-параметров или из дальних излучательных паттернов — последнее более точно, но требует измерения излучательного паттерна.

Практический пример

Рассмотрим смартфон, включающий:

• LTE/4G диверсити-пару для сотовой связи.
• Wi-Fi/Bluetooth антенну для короткодальной передачи данных.
• GNSS антенну для позиционирования.

Каждая антенна должна быть достаточно изолирована, чтобы сильный LTE-сигнал не перебивал более слабые Wi-Fi или GNSS излучатели. Правильный интервал, фильтрация и дизайн земляной плоскости необходимы для достижения этой коэкзистенции.

Тестирование и валидация

После разводки проведите over-the-air тестирование в безэховой камере. Это реальное измерение раскроет любое сопряжение или искажение паттерна, позволяя уточнить дизайн перед производством.

---

---

Связанный контент:

• Как добавление антенны меняет процесс проектирования
• Интеграция чип-антенн в PCB: понимание согласования антенн
• Как улучшить беспроводную производительность мобильных устройств с малыми PCB
• 5G и GaN: Понимание sub-6GHz Massive MIMO инфраструктуры
• Как программно-определяемые радио работают с ультраширокой частотной настройкой

Для получения большего контента Embedded подпишитесь на еженедельную рассылку Embedded.