Hoe krijg je betere draadloze prestaties voor mobiele apparaten met kleine PCB's

De vraag naar kleinere draadloze apparaten groeit, voor gebruik in consumententoepassingen zoals wearables, medische apparaten en trackers, maar ook in industriële toepassingen zoals verlichting, beveiliging en gebouwbeheer. Hieruit volgt dat kleinere elektronische apparaten kleinere PCB's nodig hebben, wat betekent dat de antennes met kortere grondvlakken moeten werken, en als ze op batterijen werken, is ook vermogen een factor - omdat het apparaat niet te veel stroom mag verbruiken.

Dit is een hele uitdaging voor de productontwerper. Het eindontwerp moet worden ingediend voor formele goedkeuring van het netwerk en de overheid voordat het nieuwe product kan worden gebruikt op de carrier-netwerken, en het ontwerp zal waarschijnlijk mislukken als de antenne niet correct werkt of als het apparaat radio-interferentie veroorzaakt door opnieuw uitstralend geluid van het apparaat. Hieruit volgt dat het nog moeilijker is om goedkeuring van een provider te krijgen voor een kleiner product, omdat het moeilijker is om draadloze prestaties te bereiken die goed genoeg zijn om de minimale niveaus voor zenden en ontvangen door te geven. Dit geldt met name in de VS, waar een ontwerp aan strikte criteria moet voldoen om netwerkgoedkeuring te krijgen.

Het is een feit dat om elektrisch kleine antennes te laten werken bij frequenties onder 1 GHz, ze idealiter een grondvlaklengte van 100 mm of meer nodig hebben om goede prestaties en efficiëntie te bereiken. Als de antenne-efficiëntie zou dalen, zal dit problemen veroorzaken met het stroomverbruik en het verkrijgen van netwerkgoedkeuring voor het eindproduct. Dit betekent dat de uitdaging voor een productontwerper is om een ​​ontwerp te maken waarbij er voldoende ruimte is voor de antenne om correct te presteren en toch alle componenten in een kleinere PCB te passen.

Dit geldt met name voor antennes die werken op frequenties onder 1GHz, die doorgaans worden gebruikt voor producten zoals IoT-apparaten, producttrackers, fitnessapparaten en andere soortgelijke kleine apparaten.

Draagbare apparaten en medische apparaten die dicht bij het menselijk lichaam worden gebruikt, vormen een bijzondere uitdaging. Het menselijk lichaam beperkt RF-signalen, dus de ontwerper moet overwegen hoe de antenne zal uitstralen en ervoor zorgen dat de antenne zo wordt geplaatst dat het menselijk lichaam de signalen niet blokkeert.

Draagbare apparaten kunnen zo klein zijn als 50 mm of zelfs minder. En sommigen van hen kunnen meer dan één antenne gebruiken!

Er zijn verschillende factoren die van invloed zijn op de prestaties van de antenne in een klein apparaat, en dit artikel zal deze achtereenvolgens behandelen. De eerste en belangrijkste is het grondvlak, dat in veel gevallen essentieel is om de antenne te laten uitstralen. Maar dit is niet alles, de ontwerper moet de antenne correct plaatsen en rekening houden met de andere componenten en de positie hiervan ten opzichte van de antenne, om ervoor te zorgen dat er niets ruis of metaal in het pad van de antenne komt. Ten slotte kan de behuizing van het apparaat een verschil maken, en we zullen de belangrijkste materialen schetsen die moeten worden vermeden.

Ingebouwde antennes – hoe ze werken

Een dipoolantenne gebruikt twee stralers om te werken, maar een ingebouwde chipantenne heeft er maar één. Voor een ingebouwde antenne wordt een oppervlak van de PCB de tweede straler. Dit verklaart waarom, als de lengte van de PCB te kort is, de antenne niet efficiënt zal werken.

De resonantie van een antenne is direct gerelateerd aan de golflengte. De antenne moet resoneren op hele veelvouden of fracties van de golflengte, waarbij de kortste resonantielengte een kwart van de golflengte is.

Een full-wave antenne op de 916MHz-frequentie zou ongeveer 327 mm lang moeten zijn, wat niet praktisch is voor een ingebouwde antenne, maar een kwartgolfversie is praktisch bij een grondvlaklengte van 87,2 mm. Dit wordt opgerold over de kopersporen en -lagen die verborgen zijn in een kleine op het oppervlak gemonteerde chipantenne.

Antenneontwerpers omzeilen deze beperking door het grondvlak te gebruiken als de ontbrekende helft van de halve golf dipool, dus een kwartgolf monopool antenne straalt tegen het grondvlak. Daarom zijn de meest populaire ingebouwde antennes in kleine draadloze apparaten meestal kwartgolf-monopoolantennes.

Lengte grondvlak

Om een ​​ingebedde antenne efficiënt te laten werken, moet het grondvlak bij de laagste frequentie ten minste een kwart golflengte van de antenne zijn. Dienovereenkomstig zal het ontwerp bij de lagere frequenties veel gemakkelijker zijn wanneer het grondvlak 100 mm of groter is.

De prestaties van een ingebouwde antenne zijn direct gerelateerd aan de lengte van het grondvlak, dus het is de grootste uitdaging voor kleinere ontwerpen om het grondplan de juiste lengte te geven.

Afbeelding 1 toont de wisselwerking tussen de lengte van het grondvlak en de antenne-efficiëntie van 794 MHz aan de linkerkant tot 2,69 GHz aan de rechterkant.

Figuur 1. (Bron:Antenova Ltd)

Deze resultaten laten duidelijk zien hoe de antenne-efficiëntie daalt voor kleine grondvliegtuigen bij frequenties onder 1GHz. Deze resultaten zijn verkregen voor een 3G/4G-chipantenne die werkt op de frequenties 791-960MHz, 1710-2170MHz, 2300-1400MHz en 2500-2969MHz.

Over het algemeen zou het grondvlak 100 mm of meer moeten zijn voor een apparaat dat frequenties onder 1 GHz gebruikt. In de VS gebruiken de 4G-frequenties banden zo laag als 698 MHz of zelfs 617 MHz, zoals bij de B71-band van T Mobile, waarvoor een grondvlak nodig is dat zelfs langer is dan 100 mm.

De antenne op de printplaat plaatsen

Vervolgens moeten we rekening houden met de positie van de antenne op de printplaat en de plaatsing ervan ten opzichte van andere componenten. De antenne moet in de beste positie in de algehele RF-lay-out en PCB-stack-up worden geplaatst, zodat deze effectief kan stralen.

Elke afzonderlijke antenne is ontworpen om op een paar plaatsen efficiënt te werken op een PCB. Dit is vaak de hoek of een rand, maar elke antenne is anders, dus het is belangrijk om een ​​antenne te kiezen die in het ontwerp past en deze te plaatsen volgens de aanbeveling van de fabrikant voor die antenne.

Afbeelding 2 laat zien hoe de antenne met zijn vrije ruimte in een klein apparaat zoals een draagbaar product of horloge wordt geplaatst.

Figuur 2. (Bron:Antenova Ltd)

Figuur 3 toont een geschikte antenneplaatsing voor een horlogeontwerp. Het ontwerp handhaaft de aanbevolen vrije ruimte boven en onder deze antenne, die in rood wordt weergegeven.

Figuur 3. (Bron:Antenova Ltd)

Plaats geen luidruchtige componenten, zoals een batterij of een LCD-scherm in de buurt van het antennegedeelte. Antennes zijn passieve componenten die energie ontvangen en ruis opvangen die wordt uitgestraald door de luidruchtige componenten, en die ruis overbrengen naar de radio, waardoor het ontvangen signaal wordt verslechterd. De antenne moet ook uit de buurt van het menselijk lichaam worden geplaatst om de RF-prestaties te verbeteren, dit is de afstand die in het blauw is aangegeven in Afbeelding 3 hierboven.

De opstelling van de RF-feed en de aardverbindingen zijn van cruciaal belang voor de functie van de antenne. Met kleine ingebouwde antennes in kleine PCB's, kunnen de kopersporen die op de PCB zijn geëtst een integraal onderdeel van de antenne vormen, dus zorg ervoor dat u de specificaties van de fabrikant of het referentieontwerp volgt.

Algemene RF-lay-out en PCB-stack-up

U kunt de prestaties van de antenne maximaliseren door in het ontwerp zorgvuldig rekening te houden met de lay-out van de RF-elementen. Het koperen grondvlak mag niet met sporen worden versneden of over meer dan één laag worden gerangschikt, dan zal het grondvlakgedeelte van de antenne effectiever kunnen stralen.

Het is essentieel om componenten zoals LCD's of batterijen uit de buurt van het antennegebied in de PCB-lay-out te houden, omdat deze de manier waarop de antenne zal uitstralen kunnen verstoren.

Voor multibandfrequenties raden we een PCB-lay-out aan met minimaal vier lagen.

Afbeelding 4 laat zien hoe de bovenste en onderste lagen voor grondvlakken zorgen, terwijl de digitale signalen en stroom die weg moeten zijn van het grondvlak, in de ruimte ertussen lopen.

Figuur 4. (Bron:Antenova Ltd)

De antenne afstemmen op prestaties

Voor die gevallen waarin het grondvlak korter is dan ideaal, kan een ontwerper naar andere technieken kijken om de prestaties van een ingebouwde antenne te verbeteren.

Een manier is om de antenne af te stemmen op het land van gebruik. Het 4G-frequentiebereik is breed, variërend van 698 MHz tot 2690 MHz, maar elke verschillende wereldregio gebruikt slechts een deel van deze band en een antenne kan slechts op één frequentie tegelijk werken. Dit betekent dat wanneer een product in één geografisch gebied wordt gebruikt, het kan worden afgestemd om in een smaller deel van de frequentieband te werken. Dit zal de prestaties van de antenne verbeteren.

Een andere techniek is om een ​​actief afstemmingsnetwerk op te nemen, in feite een extra RF-schakelcircuit, dat zal helpen om de bandbreedtevermindering te overwinnen die wordt veroorzaakt door een kleinere grond waar de host-PCB minder dan 75 mm is. Een PI-aanpassingscircuit is toegevoegd dicht bij het antenne-aanvoerpunt, om de antenne fijn af te stemmen en de prestaties te verbeteren. Het ontwerp van het matchingcircuit heeft meestal wat hulp nodig van een RF-specialist.

Afbeelding 5 toont een aanpassingscircuit op een antenne-evaluatiebord.

Figuur 5. (Bron:Antenova Ltd)

De transmissielijn ontwerpen

Zodra het materiaal voor de PCB is gekozen en de dikte en diëlektrische constante bekend zijn, kan een co-planaire transmissielijn worden ontworpen met behulp van een van de in de handel verkrijgbare softwarepakketten voor het ontwerpen van RF-tracering. Dit gebruikt de PCB-dikte, de scheiding van de koperlaag en de diëlektrische constante van het substraat om de optimale breedte voor de transmissielijn en de juiste openingen aan weerszijden te berekenen om een ​​co-planaire transmissielijn van 50 Ω te bereiken.

Alle transmissielijnen moeten zo zijn ontworpen dat ze een karakteristieke impedantie van 50Ω hebben, en de andere delen van het RF-systeem, zoals zendontvangers of eindversterkers, moeten ook zijn ontworpen met een impedantie van 50Ω.

Antenova biedt een gratis rekentool voor RF-transmissielijnen om ontwerpers te helpen bij het bepalen van de grootte van de transmissielijn.

Andere factoren

Er kan meer dan één antenne zijn die op verschillende frequenties op dezelfde printplaat werkt, maar dicht bij elkaar is geplaatst. Als de antenne een systeem is dat alleen kan worden ontvangen, zoals een GPS-ontvanger, kan deze worden gedesenteerd door een zendantenne in de buurt, zoals een 4G-radio, waardoor de nauwkeurigheid van het GPS-systeem wordt verminderd. Er moet voor worden gezorgd dat deze antennesystemen worden gescheiden door fysieke afstand tussen de antennes - ervoor te zorgen dat de antennes loodrecht op elkaar staan ​​- of door inkepingen in het grondvlak te maken om de grondstromen die tussen de antennes worden gedeeld te verwijderen.

In systemen met meerdere invoer, meervoudige uitvoer (MIMO) vereist het ontwerp meer dan één antenne, die ten opzichte van de andere moet worden geplaatst, zodat ze naast elkaar kunnen bestaan. Dan kunnen ze worden afgestemd op dezelfde frequenties. Het is absoluut noodzakelijk dat de antennes zo worden geplaatst dat de isolatie en kruiscorrelatie binnen aanvaardbare grenzen blijven. Zoals hierboven vermeld, moet ervoor worden gezorgd dat de antenne in het apparaat wordt gescheiden door de fysieke afstand tussen de antennes, waarbij ervoor moet worden gezorgd dat de antennes loodrecht op elkaar staan, of door het grondvlak tussen de antennes in te kerven om de gedeelde grondstromen tussen de antennes te verwijderen. antennes.

Afbeelding 6 toont nabijheidsconfiguraties voor diversiteit.

Figuur 6. (Bron:Antenova Ltd)

Afbeelding 7 toont tegengestelde configuraties voor diversiteit.

Figuur 7. (Bron:Antenova Ltd)

De buitenste behuizing mag geen metaal bevatten in de buurt van de antenne, maar bepaalde gemetalliseerde coatings zijn acceptabel omdat ze de energie niet effectief geleiden. Metalen voorwerpen in de buurt van de antenne kunnen ervoor zorgen dat de frequentie van de antenne lager in frequentie verschuift. Het kan ook de hoeveelheid bandbreedte verminderen waarvoor de antenne is ontworpen. Een ander probleem met metalen voorwerpen in de buurt van de antenne is dat de metalen voorwerpen het signaal blokkeren in de richting waarin het metaal wordt geplaatst, waardoor het algehele stralingspatroon wordt verminderd en mogelijk ervoor zorgt dat het signaal voldoende verslechtert om de verbinding met het basisstation te verliezen.

Conclusie

Als het productontwerp een antenne moet bevatten, vooral als het een kleine PCB gebruikt, raden we aan eerst de antenne te selecteren en deze eerst op de PCB te plaatsen. Het is gemakkelijker om het op deze manier te doen dan om een ​​antenne in een verder afgewerkt ontwerp te steken. Eerst nadenken over de antenne is meestal de snelste manier om tot een ontwerp te komen waarbij het RF-element naar behoren presteert.

Dit vergroot de kans op het verkrijgen van netwerkgoedkeuring voor het apparaat. De antenne moet efficiënt werken om goedkeuring te krijgen en de regels zijn streng. AT&T hield echter rekening met apparaten kleiner dan 107 mm en verlaagde de efficiëntiedrempel voor deze kleinere apparaten.