Hoe het toevoegen van een antenne het ontwerpproces verandert

De ontwerpcyclus is een beetje anders wanneer het product draadloos is en een antenne vereist. Antennes veranderen het ontwerpproces, omdat het met zorg moet worden geplaatst, in de beste positie op de printplaat, en het is belangrijk om de relatie met enkele van de andere componenten in het ontwerp te overwegen.

Idealiter zou de ontwerper de RF-elementen van het ontwerp moeten ordenen voordat hij de andere componenten in overweging neemt. In dit artikel kijken we naar de extra stappen die een antenne toevoegt aan de ontwerpcyclus, te beginnen met de selectie van de meest geschikte antenne.

Antenne selectie

De meest populaire ingebouwde antennes zijn de SMD-groep (surface-mounted device). Ze zijn vooral populair vanwege hun efficiënte gebruik van de bordruimte, maar ook omdat ze uitstekende prestaties kunnen leveren binnen een apparaat. Deze antennes zijn klein; ze kunnen een diameter van slechts 1 mm hebben en worden tijdens het assemblageproces rechtstreeks op de host-PCB teruggevloeid. Over het algemeen worden ze gemaakt van hoogwaardige diëlektrische laminaatsubstraten.

De ontwerper zou ook kunnen overwegen om een ​​kant-en-klare antennemodule te gebruiken. Deze bevatten de antenne in een klein pakket met andere componenten, klaar om in het ontwerp te vallen. Het belangrijkste voordeel van het kiezen van een antennemodule is dat deze in het ontwerp kan worden geplaatst en dat de RF-schakelingen kant-en-klaar worden geleverd.

Flexibele antennes met gedrukte schakelingen (FPC) kunnen een interessante optie zijn wanneer de lay-out van de componenten van het ontwerp beperkt is in de beschikbare bordruimte, of waar, om wat voor reden dan ook, een SMD-antenne niet gemakkelijk zal passen. De FPC bestaat uit een dunne laag koperen afdektape met een integrale kabel en een UFL-connector om ze met de printplaat te verbinden. Het is dun genoeg om lichtjes naar een gebogen oppervlak te worden gebogen en in een kleine ruimte in het apparaat te worden opgeborgen, misschien in de buitenste behuizing van het ontwerp. FPC's zijn een goede keuze als er weinig ruimte is en zijn populair in kleine draagbare apparaten.

Als het ontwerp van het apparaat materialen bevat die de prestaties in gevaar kunnen brengen, kan de ontwerper een externe antenne kiezen (Afbeelding 1). Geïntegreerde antennes leveren doorgaans geen sterke prestaties in de buurt van metalen componenten, dus als grote metalen elementen in het ontwerp zijn verwerkt, kan een antenne die aan de buitenkant van het apparaat is bevestigd of in een behuizing wordt gemonteerd, mogelijk de beste prestaties leveren.

Figuur 1. Externe antenne-opties omvatten (van links naar rechts) een SMD-antenne, een FPC-antenne of terminalantennes. Bron:Antenova

Deze antennes zijn vervaardigd met hun eigen isolatiemateriaal om het RF-signaal te isoleren, en als er metalen onderdelen in de buurt zijn, presteren ze nog steeds met minimale verliezen. Op de behuizing gemonteerde antennes maken ruimte vrij voor andere componenten op de printplaat, en omdat ze niet zo gevoelig zijn voor de andere onderdelen in het ontwerp, zijn ze gemakkelijker te integreren.

Antenne plaatsing

Van alle componenten in een typisch draadloos ontwerp is de antenne waarschijnlijk het meest gevoelig voor zijn positie. Daarom wordt aanbevolen om de plaatsing van de antenne meteen bij het begin te beslissen.

De SMD-antenne is rechtstreeks op de host-PCB gesoldeerd en de positie van de antenne heeft gevolgen voor de RF-prestaties. De antenne straalt in zes richtingen langs een as, gewoonlijk langs de lengte van de antenne. Dit betekent dat om goed te presteren, het zoveel mogelijk richtingen moet hebben die vrij zijn van reflecterende en absorberende obstakels. Om deze reden worden antennes vaak op de hoek van de print geplaatst, of ontworpen om op een van de randen van de print te worden gebruikt. Fabrikanten ontwerpen hun antennes om in verschillende posities te werken, en het gegevensblad voor elke antenne geeft precies aan hoe de antenne straalt en hoe deze op de host-PCB moet worden geplaatst om de prestaties te optimaliseren.

Figuur 2. Op de lange rand van een PCB wordt een SMD-antenne geplaatst. Bron:Antenova

Er zijn bepaalde componenten die zo ver mogelijk van de antenne moeten worden geplaatst, omdat ze ruis veroorzaken en waarschijnlijk een impedantie veroorzaken voor de uitgestraalde prestaties van de antenne. De belangrijkste boosdoeners voor het veroorzaken van interferentie zijn motoren, batterijen en alle componenten met een hoog metaalgehalte, zoals LCD's.

Ten slotte kan de buitenste behuizing van het apparaat ook onderbrekingen veroorzaken voor de uitgestraalde velden van de antenne. Als het apparaat een plastic hoes heeft, wees dan voorzichtig, want plastic heeft een hogere diëlektrische constante dan lucht en kan de resonantiefrequentie van de antenne waarschijnlijk ontstemmen.

Grondvlakken en bordontwerp voor RF

SMD-antennes hebben doorgaans een grondvlak nodig om uit te stralen. In een ingebed ontwerp is het grondvlak een gedeelte van de PCB dat een vlak aangrenzend oppervlak biedt waar het RF-signaal heen en weer kan bewegen. Het grondvlak moet een bepaalde lengte hebben, die gerelateerd is aan de langste golflengte van de antenne. Het is daarom van cruciaal belang om de juiste hoeveelheid ruimte voor het grondvlak op de PCB te bieden, omdat hierdoor de antenne efficiënt kan uitstralen.

Nogmaals, dit wordt uitgelegd in de datasheet van de antennefabrikant. Soms bevindt het grondvlak zich onder de antenne en soms grenst het eraan; dit varieert van antenne tot antenne en zal een factor zijn bij de keuze van uw SMD-antenne.

Naast het feit dat antennes een grondvlak nodig hebben, hebben antennes vaak een bepaalde ruimte eromheen nodig om vrij te zijn van andere componenten - een afgeschermd gebied. De vereisten voor het buiten houden van elke antenne zijn ook uniek voor elke afzonderlijke antenne, en deze gebieden moeten vrij worden gehouden van andere componenten, mogelijk door meerdere lagen, zo niet het hele bord onder de antenne.

De RF-prestaties van het apparaat zijn het beste als de RF-traceringslijnen zo kort mogelijk worden gehouden van de radio naar de antenne. Dit komt omdat langere transmissielijnen gevoeliger zijn voor reflecties en signaalenergieverliezen in het koperspoor, wat de algehele uitgestraalde prestaties van het apparaat kan verslechteren. Daarom raden we aan om de RF-elementen van het ontwerp zo dicht mogelijk bij de antenne te plaatsen.

Sommige ontwerpen zullen profiteren van een circuit voor het afstemmen van elementen op één lijn, zoals een Pi-aanpassingscircuit, binnen de RF-circuits om de antenne af te stemmen voor een verbeterde werkbandbreedte.

Figuur 3. Een antenne-ontwerp met een actief afstemcircuit kan de bandbreedtevermindering die wordt gezien bij een kleiner grondvlak overwinnen. Bron:Antenova

Gerber-review en RF-testen

Voordat het ontwerp definitief is, biedt een Gerber-bestandslay-outbeoordeling een goede controle van de RF-circuits en transmissielijnen in de lagenstapeling van het PCB-ontwerp en markeert alle gebieden die niet helemaal correct zijn. De Gerber-review controleert of de antenne, de module, de transmissielijnen, via's en PCB-materialen allemaal zijn geoptimaliseerd voor goede RF-prestaties. Sommige antenne-ontwerpbedrijven brengen kosten in rekening voor Gerber-recensies, terwijl anderen het gratis aanbieden, of u kunt hiervoor een software-ontwerppakket gebruiken.

De volgende test zal zijn om te meten hoe goed de antenne presteert op zijn PCB. Dit gebeurt in een echovrije kamer. De antenne kan echter goed werken in de perfecte omstandigheden van de kamer en zich vervolgens anders gedragen in de uiteindelijke toepassing, waar mensen en objecten in de omgeving de straal van de antenne kunnen beïnvloeden. Dus bij een ontwerp voor een draagbaar apparaat of een medisch apparaat dat dicht bij het menselijk lichaam moet worden gebruikt, moet de antenne worden afgesteld en getest met een fantoomkop of fantoomhand in de echovrije kamer.

Nog een paar tests kunnen beoordelen hoe goed het ontwerp in het echte leven zal werken:passieve testen, over-the-air (OTA) testen en synthetische apertuurradar (SAR). De resultaten worden gemeten op efficiëntie, onechte emissies, totaal uitgestraald vermogen en totale isotrope gevoeligheid.

Het is van cruciaal belang om het ontwerp te testen om er zeker van te zijn dat het apparaat bij dagelijks gebruik correct zal werken en geen emissies of interferentie zal veroorzaken. Deze tests zijn van cruciaal belang wanneer het ontwerp goedkeuring van het carriernetwerk vereist, en het is gebruikelijk om een ​​gespecialiseerde RF-testservice te gebruiken.

Ten slotte moet elk ontwerp voor de mobiele netwerken worden gecertificeerd door de mobiele netwerkaanbieder om goedkeuring te krijgen voor gebruik op zijn netwerk.

>> Dit artikel is oorspronkelijk gepubliceerd op onze zustersite, EDN.

Verwante inhoud:

• Integreren van chipantennes in een PCB:antenne-matching begrijpen
• Hoe krijg ik betere draadloze prestaties voor mobiele apparaten met kleine PCB's
• Problemen met PCB-ontwerp aanpakken
• Chip- en systeemcommunicatie transformeren
• Hoe ruis op systeemniveau in digitale interfaces kan leiden tot valse fouten in serieel Flash-geheugen

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