Kompaktowe anteny o wysokiej efektywności do elektroniki przenośnej

Rys. 1. Symulowany rozkład prądów powierzchniowych dla anten komórkowych tabletu pracujących na częstotliwości 0,9 GHz

Przenośne urządzenia, takie jak smartfony i tablety, zawierają obecnie wiele systemów bezprzewodowych, w tym telefonię komórkową, Wi-Fi i GPS. Każdy system wymaga wydajnej anteny, a słabe parametry anteny mogą prowadzić do złych parametrów użytkowych takich, jak niskie transfery danych, słabe pokrycie radiowe, zrywanie połączeń telefonicznych, wadliwe działanie nawigacji samochodowej, itp.

Z drugiej strony, urządzenia muszą mieć atrakcyjny wygląd i często pożądana jest minimalizacja ich rozmiarów. Zmniejszanie grubości urządzeń i obecność struktur metalicznych powodują nowe wyzwania dla konstruktorów anten. Bez symulacji elektromagnetycznej 3D istnieje duże ryzyko uzyskania słabych parametrów anteny lub mało atrakcyjnego wyglądu.

Alternatywą do symulacyjnej weryfikacji anten jest wykonywanie wielu prototypów, które są zazwyczaj drogie i mają długi czas realizacji. Są też zagadnienia, które trudno badać skutecznie nawet na wykonanym prototypie, takie jak np. efektywność działania struktur stanowiących uziemienie anten albo układów dopasowania impedancji.

Miarą skuteczności symulacji 3D jest korelacja ich wyników z wynikami pomiarów. Dobra zgodność jest tu niezbędna, jeśli chcemy mieć zaufanie do wyników symulacji. Pracując z oprogramowaniem CST STUDIO SUITE konstruktorzy z firmy Convergentia ustalili ponad wszelką wątpliwość, że zawsze, gdy powstawały rozbieżności między wynikami symulacji i wynikami pomiarów, były one powodowane brakiem podobieństwa modelu symulacyjnego do fizycznego prototypu.

Rys. 2. Niepewność wartości parametrów materiałowych i wartości elementów prowadzi do różnic pomiędzy prototypem wirtualnym (Sim) i danymi pomiarowymi (Meas) - tutaj dla anteny Wi-Fi

Sytuacja taka może mieć miejsce, ponieważ nie zawsze jest wygodne, a czasami wręcz niemożliwe, modelowanie "jeden do jednego" wszystkich skomplikowanych struktur urządzenia, takich jak wyświetlacz, czujnik dotykowy, głośnik, itp. Czasami nieznane mogą być również dokładne parametry używanych materiałów na interesującej nas częstotliwości.

To do projektanta anteny należy ocena, jak uwzględnić w modelu elektromagnetycznym te części urządzenia, które nie mogą być zaimportowane bezpośrednio z mechanicznego modelu 3D. Inżynierowie z Convergentii, mając wieloletnie doświadczenie w modelowania i projektowaniu systemów elektronicznych, szukali narzędzia do symulacji, które pozwoli im w pełni wykorzystać ich umiejętności. Ich wybór padł na oferujące wydajne solvery środowisko do projektowania elektromagnetycznego CST STUDIO SUITE.

Dokładne modelowanie mozaiki i struktur uziemiających

Rys. 3. Współczynnik odbicia S11 symulowany (Sim) i mierzony (Meas) oraz sprawność promieniowania głównej anteny komórkowej dla dwóch różnych konfi guracji obwodu dopasowującego

Technologia LTE wykorzystuje bardzo dużo pasm częstotliwości roboczych. Dostawcy chipsetów zaczęli nawet implementować w swoich układach zintegrowane tunery antenowe dopasowujące impedancję anteny. Mimo to większość nowoczesnych anten zintegrowanych zawiera również elementy SMD lub przełączniki w.cz. zapewniające dopasowanie impedancji wejściowej.

W początkowej fazie procesu projektowania elementy strojące mogą być liczone przy użyciu symulatora obwodowego, ale do skonstruowania działającego prototypu niezbędna jest symulacja układu ścieżek przy użyciu symulatora elektromagnetycznego. Jest to szczególnie istotne przy wyższych częstotliwościach (f> 1,7 GHz), kiedy efekty pasożytnicze mogą być dominujące.

Tradycyjnie strojenie anteny odbywa się za pomocą analizatora obwodów przez optymalizację współczynnika odbicia anteny. Dobre dopasowanie impedancyjne anteny bez układu dopasowującego zazwyczaj gwarantuje również dobre warunki promieniowania. Skuteczność anteny można sprawdzić w komorze bezechowej.

Takie podejście nie może być stosowane do anten z układem dopasowującym, ponieważ dobre dopasowanie impedancji może być w większym stopniu skutkiem strat w układzie dopasowującym niż efektem dobrego promieniowania anteny. Tylko łączna symulacja anteny i mozaiki ścieżek pozwala uniknąć wielu cykli projektowych płytki PCB i wyeliminować żmudny i powolny proces strojenia anteny.

Rys. 4. Fizyczny prototyp tabletu z kilkoma antenami i równoważny model symulacyjny

Do poprawnej pracy antena wymaga odpowiedniej płaszczyzny uziemienia. Może to być trudne do zrealizowania w małym urządzeniu zawierającym kilka oddzielnych części metalowych. Dobra płaszczyzna uziemienia w urządzeniu oznacza, że tworzące ją części metalowe powinny być ze sobą połączone, co gwarantuje maksymalną skuteczność anteny.

Jeśli struktura uziemienia nie jest prawidłowo zaprojektowana, może to prowadzić do zawężenia szerokości pasma pracy lub mogą przypadkowo powstawać pułapki (RF traps) zwiększające straty anteny o kilka decybeli. Tego rodzaju stratne rezonanse są dobrze znane projektantom anten. Bardzo trudno znaleźć ich przyczynę i wyeliminować je w gotowym prototypie.

Czasami trwa to kilka tygodni i wymaga wykonania kolejnych egzemplarzy prototypów. Alternatywnym rozwiązaniem jest symulacja elektromagnetyczna, która umożliwia badanie projektów bez kosztów budowy prototypów. Wizualizacja pola elektromagnetycznego pozwala natychmiast identyfikować elementy, w których powstają pasożytnicze rezonanse.

Dokładny prototyp wirtualny rzeczywistego systemu

Rys. 5. Antena na pasmo komórkowe bez układu dopasowującego (na górze) oraz z układem dopasowującym na czterech elementach (na dole)

Rysunek 4 przedstawia prototyp tabletu wykonany przez firmę Convergentia z antenami, pierwotną i wtórną, na pasma telefonii komórkowej, a także antenami GPS i Wi-Fi. Anteny do telefonii komórkowej są typu elastycznego, zamontowane na podłożu z tworzywa sztucznego z małymi płytkami PCB zawierającymi układy dopasowania impedancji anteny oraz zaciski zasilające (rys. 5). Antena GPS jest wykonana na oddzielnej płytce PCB, a antena Wi-Fi jest ceramiczna (rys. 6).

Zgodność wyników symulacji i pomiarów okazała się bardzo dobra. Dopasowanie impedancji uzyskano przy użyciu dwóch cewek i dwóch kondensatorów. Projektanci wykazali, że różnice pomiędzy symulacją i pomiarami, jeśli występowały, powodowane były przez różnice pomiędzy modelem symulacyjnym i obiektem rzeczywistym.

Np. nie były znane właściwości materiałowe ceramiki, a także szczegóły uziemienia płytki PCB, co doprowadziło do pewnych rozbieżności dotyczących charakterystyki częstotliwościowej anteny Wi-Fi (rys. 2). Nieznaczne podstrojenie wymiarów anteny i niewielka zmiana parametrów materiałowych doprowadziły do oczekiwanych parametrów. Korelacja wyników symulacji podstawowej anteny komórkowej z wynikami pomiarów była także bardzo dobra (rys. 3).

Rys. 6. Anteny GPS i Wi-Fi

Prototypowanie wirtualne pozwoliło zredukować liczbę cykli prototypowych oraz skrócić czas opracowania urządzenia. Nie było potrzeby wprowadzania wielu kolejnych zmian mechanicznych i zmian PCB ze względu na parametry anteny, co ma miejsce podczas prototypowania fizycznego.

Wszystkie anteny mało efektywnie, ale już pracowały przed optymalizacją, więc testowanie w innych obszarach mogło się rozpocząć bez oczekiwania na uruchomienie zoptymalizowanych anten przez konstruktorów. Na przykład badania EMC i testy przepływności mogły być rozpoczęte od razu.

Warunkiem pomyślnego procesu konstruowania wirtualnego jest to, żeby wirtualny model symulacyjny odpowiadał przyszłemu prototypowi, włączając w to układ ścieżek obwodu dopasowującego i strukturę pełniącą funkcję uziemienia anteny w urządzeniu.

Połączenie zaawansowanych narzędzi importu CAD, technologii dokładnych solverów oferowanych przez oprogramowanie CST STUDIO SUITE oraz doświadczenia firmy Convergentia w zakresie symulacji pozwoliły wdrożyć proces skutecznego prototypowania wirtualnego, które staje się coraz ważniejszą metodą projektowania wdrażaną przez producentów urządzeń elektronicznych na świecie .

Jarosław Kwiatkowski
CST
www.cst.com