Twee of meer antennes in één ontwerp plaatsen

Het ontwerpen van een PCB met meer dan één antenne is niet eenvoudig . Dit artikel belicht enkele factoren die het gedrag van antennes en hun RF-signalen beïnvloeden en waarmee rekening moet worden gehouden bij de lay-out van de PCB.

Het plaatsen van een antenne in een ontwerp heeft altijd zorg nodig, maar wanneer er twee of meer antennes in het ontwerp zitten, is het nog belangrijker om te begrijpen hoe de antennes uitstralen, hoe ze samen zullen presteren en hoe hun relatieve posities het signaal zullen beïnvloeden.

Over het algemeen zijn SMD-antennes ontworpen om naast andere componenten te bestaan, op voorwaarde dat enkele basisregels worden gevolgd.

Het advies is om antennes uit de buurt te houden van andere lawaaierige componenten en om een ​​grondvlak onder de antenne te laten, zodat deze effectief kan uitstralen. Het is belangrijk om de ruimte onder de antenne vrij te houden tijdens de PCB-stack-up.

Om een ​​apparaat te ontwerpen met verschillende antennes erin, wil je weten hoe meerdere antennes naast elkaar kunnen bestaan ​​en presteren in één enkel systeem op de printplaat. De vereiste voor verschillende radiosystemen om te werken met antennes die dicht bij elkaar staan, wordt "coëxistentie in het apparaat" genoemd.

In sommige gevallen worden twee antennes gebruikt om samen te werken op dezelfde frequentie in een diversiteitsconfiguratie, wat een sterkere transmissie oplevert dan één antenne alleen. In andere gevallen heeft een apparaat meer dan één draadloze verbinding nodig die op verschillende frequenties werkt en het ontwerp moet een zekere scheiding tussen deze mogelijk maken, zodat ze onafhankelijk kunnen werken in "co-existentie".

Met een goed ontwerp kunt u hoge prestaties en betrouwbaarheid bereiken voor alle antennes op het bord. Het doel van de ontwerper is om de antennes zo te plaatsen dat isolatie tussen alle antennes wordt bereikt en ze allemaal correct samen kunnen werken.

Stralingspatronen

Elke antenne heeft zijn eigen stralingspatroon, dat wordt weergegeven op het gegevensblad van de fabrikant, omdat de antenne in perfecte omstandigheden zou uitstralen, bijvoorbeeld in een echovrije kamer.

Stralingspatronen worden meestal weergegeven als een 3D-patroon en als een tweedimensionale dwarsdoorsnede van dat patroon. De antenne straalt rond een as die langs de lengte van de antenne loopt, en de elektrische energie van de antenne wordt het sterkst gereflecteerd in een richting die loodrecht op die as staat. Dit is de polarisatie van de antenne.

Het stralingspatroon voor een antenne wordt normaal gesproken gemeten in het midden van de frequentieband waar de antenne moet worden gebruikt.

Figuur 1. 3D-antennepatroon voor een LTE-antenne op 1990 MHz. (Bron:Antenova)

klik voor afbeelding op volledige grootte

Figuur 2. Antennepatroon voor dezelfde LTE-antenne op 1990 MHz, dwarsdoorsnede. (Bron:Antenova)

Diversiteitsparen

Diversiteit is een antennetechniek waarbij twee antennes samen op dezelfde frequentie worden gebruikt om een ​​betrouwbaardere draadloze verbinding te creëren. Het is een geweldige oplossing voor mobiele draadloze apparaten die zich in de vrije ruimte verplaatsen, omdat de twee antennes die samen werken, eerder een betrouwbare verbinding bieden als het apparaat zich verplaatst.

Bij diversiteit is de eerste antenne de hoofdantenne en de tweede antenne de diversiteitsantenne. De twee antennes kunnen hetzelfde grondvlak delen en ze zijn in verschillende ruimtelijke zones geplaatst, dit vermindert "koppeling" - een fenomeen waarbij de twee antennes vergelijkbare signalen reflecteren.

In een diversiteitsconfiguratie zenden beide antennes gelijktijdig uit, maar wijzen ze in verschillende richtingen. De ontvanger zal dan het sterkste van de twee signalen opnemen, wat de betrouwbaarheid van het ontvangen signaal zal verbeteren. Het paar antennes kan op de tegenoverliggende hoeken of tegenoverliggende zijden van de PCB worden geplaatst.

Wanneer de antennes in een diversiteitsconfiguratie worden gebruikt, worden ze geplaatst om de koppeling te verminderen - d.w.z. de twee antennes zijn zo geplaatst dat hun stralingspatronen volledig van elkaar verschillen.

Polarisatie

De polarisatie van een antenne is evenwijdig aan de lange as van de antenne en de antenne straalt zijn energie loodrecht op deze as uit, met zones met nulvermogen aan elk uiteinde van de antenne.

Voor de beste kruiscorrelatie moet het paar diversiteitsantennes worden geplaatst op kruispolarisatie, verschillende polarisatie in de ruimte en in polariteit. De ontvanger ontvangt het sterkste signaal van de ene of de andere antenne. Hierdoor wordt een sterkere ontvangst bereikt dan met één antenne alleen kan worden bereikt. In de praktijk betekent dit meestal dat de twee antennes in een hoek van 90° ten opzichte van elkaar worden geplaatst, wat een verschillende polarisatie bereikt en betrouwbaardere signalen naar de ontvanger stuurt als de apparaten zich verplaatsen.

Koppelingseffecten verminderen

Antenne-naar-antenne-koppeling is een natuurlijk verschijnsel in een compact apparaat. Dit vermindert het stralingspatroon en verhoogt de cross-channel interferentie die elke antenne ondervindt. Het verandert ook de ingangskarakteristieken van de antenne. U kunt koppelingseffecten minimaliseren door via op het grondvlak te etsen.

Afstand tussen antennes

De afstand tussen de twee diversiteitsantennes moet ten minste een kwart van een golflengte zijn en de afstand ertussen is van invloed op het signaal.

klik voor afbeelding op volledige grootte

Figuur 3:Voorbeeld – Het diagram toont de isolatie vs. afstand van de hoofdantenne tot de diversiteitsantenne. Ter vergelijking worden 40 mm, 25 mm en 20 mm getoond. Dit voorbeeld toont Antenova's Integra-antenne SR4L049. (Bron:Antenova)

Antennes isoleren op verschillende frequenties

Antennes die op verschillende frequenties werken, moeten zo worden geplaatst dat ze elkaar niet storen. In antennetermen moeten ze elektrisch van elkaar worden geïsoleerd. Het doel is om elke antenne zo te plaatsen dat deze hoge prestaties levert, maar de isolatie kan het stralingsvermogen van de antenne verminderen. De waarde voor isolatie wordt gemeten als de S21-coëfficiënt, met een netwerkanalysator.

Er zijn een aantal manieren om de isolatie tussen de antennes te verbeteren. Door de antennes gewoon verder uit elkaar te plaatsen, rekening houdend met hun stralingspatronen, ontstaat er wat scheiding, wat zal helpen.

Door de antennes zo te plaatsen dat er isolatie is tussen elk paar antennes, kunnen ze onafhankelijk uitstralen, maar met enige vermindering van het zendvermogen van elke antenne.

De volgende optie is om een ​​filter te gebruiken om de efficiëntie van de ene antenne te verminderen in frequentie die de andere antenne nodig heeft.

Figuur 4. Beam steering is een antennetechniek om isolatie en kruiscorrelatie in diversiteitstoepassingen te verbeteren. (Bron:Antenova)

ECC (envelopcorrelatiecoëfficiënt)

Om de isolatiecapaciteit van een MIMO-antennesysteem te verifiëren, is de ECC een belangrijk prestatiecriterium in MIMO-antennesystemen om te bestuderen. De ECC kan worden berekend op basis van de S-parameters of de farfield-karakteristieken van het antennesysteem. ECC op basis van far-field-parameters houdt rekening met de richting van de uitgestraalde bundel van elke antenne in het MIMO-antennesysteem, terwijl ECC op basis van S-parameters rekening houdt met de poortkenmerken van de twee antennes.

ECC op basis van far-field-eigenschappen wordt als nauwkeuriger beschouwd in een isolatieanalyse, hoewel het moeilijker is vanwege de noodzaak om de stralingspatronen van de antenne te meten. Een ECC-waarde van minder dan 0,5 wordt over het algemeen als acceptabel beschouwd voor een MIMO-antennesysteem.

klik voor afbeelding op volledige grootte

Uitgestraald vs. retourverlies
Figuur 5:De afbeelding toont de stralingsgrafieken voor twee antennes parallel en in een rechte hoek, en hoe de tweede configuratie een consistenter signaal laat zien. (Bron:Antenova)

Conclusie

Veel mobiele apparaten gebruiken meerdere draadloze verbindingen. Dit kan elke combinatie zijn van 4G/LTE-, MIMO/WLAN-, Bluetooth- of GNSS-positioneringsantennes, en er kunnen gemakkelijk vijf of zes antennes in één ontwerp zijn – bijvoorbeeld diversiteitsantennes voor LTE/4G om de mobiele verbinding te leveren, een Wi- Fi-antenne voor Bluetooth en een GNSS-antenne voor positionering. In dit geval is het de bedoeling dat alle antennes naast elkaar werken, maar zonder elkaar te storen, in een omgeving met meerdere systemen. Als co-existentie niet wordt overwogen, kan het zijn dat een sterk LTE/4G-signaal het signaal van een kleinere antenne, zoals een kleine wifi-antenne, blokkeert.

Het ontwerpen van een PCB met meer dan één antenne is niet eenvoudig. Dit artikel belicht enkele factoren die het gedrag van antennes en hun RF-signalen beïnvloeden en waarmee rekening moet worden gehouden bij de lay-out van de PCB. Om er zeker van te zijn dat de componenten allemaal correct samenwerken, moet de PCB worden verzonden voor over-the-air-testen in een echovrije kamer. Het zal eventuele aanpassingen aan het ontwerp benadrukken en laten zien hoe de antennes zich samen gedragen en de real-world prestaties voor het apparaat voorspellen.

---

Geoff Schulteis is Senior Antenna Applications Engineer bij Antenova Ltd. Geoff heeft meer dan 20 jaar ervaring in het ontwerpen, integreren en testen van antennes, en hij leidt momenteel de technische ondersteuning van Antenova's klanten in Noord-Amerika. Hij is een professional op het gebied van antennetechniek met meer dan 20 jaar ervaring in het ontwerpen, integreren en testen van antennesystemen voor consumentenproducten, van R&D tot productie en commerciële implementatie.

---

Verwante inhoud:

• Hoe het toevoegen van een antenne het ontwerpproces verandert
• Integreren van chipantennes in een PCB:antenne-matching begrijpen
• Hoe krijg ik betere draadloze prestaties voor mobiele apparaten met kleine PCB's
• 5G en GaN:inzicht in sub-6Ghz massieve MIMO-infrastructuur
• Hoe softwaregedefinieerde radio's omgaan met ultrabrede frequentieafstemming

Abonneer u voor meer Embedded op de wekelijkse e-mailnieuwsbrief van Embedded.