Anteny chipowe w praktyce
| TechnikaPrzyrost liczby węzłów Internetu Rzeczy w najbliższych latach szacuje się w miliardach sztuk – w możliwość komunikacji wyposażonych ma być coraz więcej urządzeń, od elektroniki noszonej, przez czujniki zużycia mediów, monitorujące infrastrukturę, stan zdrowia, po automatykę budynkową, wyposażenie zakładów przemysłowych czy magazynów. Tak ogromny prognozowany popyt oraz specyfika węzłów IoT wywierają dużą presję na konstruktorów, od których wymaga się projektowania ich jako urządzeń niedrogich, przenośnych, kompaktowych. Na spełnienie tych wymagań ogromny wpływ ma wybór anteny. W grę nie wchodzą te zewnętrzne, które są nieporęczne, podatne na uszkodzenia, droższe. Alternatywą są anteny chipowe. Choć w porównaniu z zewnętrznymi mają liczne zalety, decydując się na korzystanie z nich, trzeba się liczyć z analogicznymi komplikacjami konstrukcyjnymi.
Anteny są bowiem generalnie specyficznymi komponentami urządzeń elektronicznych. Wynika to stąd, że na ich działanie wpływa wiele czynników, przede wszystkim inne obiekty, które znajdują się w ich sąsiedztwie i pochłaniają albo odbijają promieniowanie elektromagnetyczne przez nie emitowane albo do nich docierające. Przykłady to: ciało, które do pewnego stopnia pochłania promieniowanie – to utrudnia projektowanie bezprzewodowych urządzeń noszonych, oraz ekranujące metalowe obudowy.
W rezultacie zdarza się, że chociaż anteny w środowisku testowym spełniają założenia projektowe, zintegrowane z urządzeniem nie działają zgodnie z oczekiwaniami. Dodatkowym czynnikiem powodującym to może być również niedopasowanie anteny i linii transmisyjnej, czyli sytuacja, w której impedancja charakterystyczna linii jest inna niż anteny. W takim przypadku tylko część nadawanego sygnału zostanie wypromieniowana przez antenę. Wszystko to trzeba wziąć pod uwagę, przygotowując projekt urządzenia.
Anteny chipowe na PCB
Na etapie projektowania PCB, której częścią ma być antena chipowa, znalezienie odpowiedniego miejsca dla tego komponentu jest kluczową decyzją – można nawet zaryzykować stwierdzenie, że na brak należytej staranności w tym względzie anteny są wrażliwsze niż jakikolwiek inny element typowej płytki drukowanej. Nawet bowiem w przypadku wyboru drogiej anteny o wyśrubowanych parametrach katalogowych przez zamontowanie jej w niewłaściwym miejscu na płytce drukowanej można niezamierzenie negatywnie wpłynąć na jej działanie, uniemożliwiając przez to osiągnięcie wskaźników zadeklarowanych przez producenta.
Z drugiej strony jednak montaż w odpowiednim miejscu może parametry transmisji nawet nieco poprawić. Dlatego bezwzględnie na tym etapie projektowania PCB warto jest się dłużej zatrzymać, a przy podejmowaniu ostatecznej decyzji pod uwagę wziąć zalecenia, które przedstawiamy poniżej.
Karta katalogowa punktem wyjścia
Na wstępie warto podkreślić, że do danych zamieszczonych przez producenta w karcie katalogowej anteny należy podchodzić z rezerwą – choć niewątpliwie znaleźć tam można użyteczne informacje stanowiące punkt wyjścia, powinno się z nich korzystać w sposób przemyślany. Przykładowo nie jest najlepszym pomysłem, by porównywać tylko na podstawie tych danych różne modele anten. Parametry tych urządzeń podawane w kartach katalogowych są bowiem mierzone w środowisku zoptymalizowanym, tymczasem najlepszą anteną do danego zastosowania nie jest taka, która ma wyśrubowane parametry transmisji w wolnej przestrzeni, ale ta, która pasuje do danego projektu. Oznacza to w praktyce możliwość jej zamontowania zgodnie z wytycznymi projektu wzorcowego, co zapewni zbliżenie do katalogowych parametrów transmisji, a jednocześnie spełnienie innych założeń projektowych, na przykład w zakresie zagospodarowania dostępnej przestrzeni na PCB czy konieczności zamontowania innych komponentów obwodu.
Gdzie zamontować antenę?
anteny jest róg płytki drukowanej
Generalnie najlepszym miejscem do zamontowania anteny jest róg płytki drukowanej, ponieważ w tej części nie jest ona przysłaniana przez pozostałe komponenty na PCB aż jednocześnie z maksymalnie pięciu stron, z wyjątkiem tej, od której zostanie podłączona do układu nadawczo- odbiorczego (rys. 1). Typowo narożnik płytki drukowanej to również miejsce o najmniejszej koncentracji innych podzespołów i materiałów potencjalnie zaburzających sygnał. Zwykle w kartach katalogowych anten można znaleźć przykłady zalecanych miejsc montażu w różnych konfiguracjach (rys. 2), choćby wzdłuż dłuższej albo krótszej krawędzi PCB.
W urządzeniach komunikujących się w sieciach 4G / LTE często instaluje się kilka anten, które pracują w układzie wieloantenowym MIMO. Jeżeli w projekcie korzysta się z więcej niż jednej, zaleca się zazwyczaj, żeby anteny te umieszczać w oddzielnych rogach PCB (rys. 3). W takim przypadku w karcie katalogowej można także znaleźć informacje o tym, jaki jest wymagany minimalny odstęp pomiędzy nimi.
Bezpieczny odstęp
Poza tym należy się upewnić, że antena nie zostanie całkowicie przysłonięta metalową obudową, która w przeciwnym wypadku działałaby jak ekran. Żaden metal nie powinien również znajdować się w pobliżu (w polu bliskim) anteny. Trzeba ponadto uważać na elementy wykonane z tworzyw sztucznych – w związku z tym, że typowo mają większą stałą dielektryczną niż powietrze, mogą wpływać na długość elektryczną ścieżki anteny, zmniejszając częstotliwość rezonansową.
Generalnie zresztą lepiej nie umieszczać żadnych podzespołów bezpośrednio wokół niej, ponieważ mogą one zakłócać jej działanie. Obszar taki powinien być wolny też od takich elementów, jak na przykład śruby montażowe czy ścieżki. Wymóg ten dotyczy wszystkich warstw PCB.
Przeważnie w specyfikacji można znaleźć informację o rozmiarze zaleca obszaru chronionego wokół anteny, który lepiej, by pozostał niezagospodarowany. Nie zawsze jednak podawana jest dokładna wymagana odległość. W zastępstwie czasem producenci anten w kartach katalogowych określają zbiór zasad, które powinny być spełnione.
Przykładem takiej jest zalecenie, by pod uwagę wziąć wysokość komponentu, który chcielibyśmy umieścić w sąsiedztwie anteny. W takim przypadku jego zamontowanie w danym miejscu jest dopuszczalne, o ile na przykład nie będzie wystawał ponad obszar ograniczony płaszczyzną poprowadzoną pod pewnym kątem względem podstawy obudowy anteny (rys. 4).
Dopasowanie impedancji
Dopasowanie oznacza, że impedancja charakterystyczna linii transmisyjnej jest taka sama jak anteny. Inaczej tylko część transmitowanego sygnału zostanie wypromieniowana przez antenę. Stopień dopasowania opisują trzy współczynniki. Są to: Γ, RL, ML oraz VSWR.
Współczynnik odbicia Γ to stosunek amplitudy fali odbitej do amplitudy fali padającej. Można go również wyznaczyć na podstawie wartości impedancji wejściowej anteny oraz impedancji linii transmisyjnej. Współczynnik odbicia jest wartością zespoloną. Gdy jego moduł jest równy zero, cała moc fali padającej wydziela się w antenie.
Straty odbicia, inaczej tłumienie niedopasowania (Return Loss, RL), określają stosunek mocy fali padającej do mocy fali odbitej, wyrażany w dB. Przy idealnym dopasowaniu współczynnik RL dąży do nieskończoności, gdyż wtedy moc fali odbitej jest równa zero. W przypadku całkowitego odbicia RL wynosi 0. Związek pomiędzy mocą fali padającej i mocą fali wydzielającą się w obciążeniu charakteryzuje parametr ML (Mismatch Loss). Opisuje on wpływ, jaki ma odbicie na moc promieniowaną przez antenę. RL i ML można obliczyć na podstawie współczynnika odbicia.
Przy niedopasowaniu anteny i linii transmisyjnej w linii powstaje fala stojąca, będąca superpozycją fali padającej i fali odbitej. Opisuje ją współczynnik VSWR (Voltage Standing Wave Ratio), czyli stosunek maksymalnej amplitudy napięcia do minimalnej. Może on przyjmować wartości od 1 (idealne dopasowanie) do nieskończoności (całkowite odbicie).
Linie transmisyjne
Często zdarza się, że antena ma inną impedancję wejściową niż linia transmisyjna. Wówczas, aby minimalizować straty mocy związane z występowaniem odbić, stosuje się elementy dopasowujące. Obwód dopasowujący (typu Pi) może składać się z trzech elementów (cewek indukcyjnych i kondensatorów) dla anteny jednopasmowej albo większej ich liczby w przypadku anteny wielopasmowej.
Projektując PCB, nie można też zaniedbać etapu projektowania linii transmisyjnych. W idealnym przypadku powinny one doprowadzać 100% mocy ze źródła sygnału do anteny. Oczywiście w rzeczywistości nie jest to możliwe do osiągnięcia. Wynika to po części z nieuniknionych strat sygnału w materiale ścieżek, sposobu ich prowadzenia na płytce (głównie ostrych zagięć) i odbić spowodowanych niedopasowaniem impedancji. W związku z tym ostatnim wymiary ścieżek na PCB powinny być obliczone tak, żeby maksymalnie zminimalizować VSWR.
W tym zakresie pomocne są narzędzia online. W Internecie można znaleźć wiele kalkulatorów online, które ułatwiają wyznaczenie optymalnych wymiarów ścieżek z uwzględnieniem specyfiki materiałów, z których wykonane będą płytki drukowane i ścieżki.
Co wyróżnia GCPW?
W przypadku PCB z antenami chipowymi zaleca się wykonywanie linii transmisyjnych w postaci GCPW (Grounded Coplanar Waveguide) – uziemionego falowodu koplanarnego. Dzięki temu nie jest wymagane łączenie z elementami na spodzie płytki drukowanej za pomocą przelotek. Jest to preferowane podejście, gdyż przelotki zwiększają straty w linii transmisyjnej, jak też wnoszą indukcyjność pasożytniczą w obwodach dopasowujących.
GCPW (rys. 5) stanowią układ ścieżki przewodzącej otoczonej, w pewnym odstępie z dwóch stron, płaszczyznami masy. Ponadto sygnał jest izolowany dodatkową płaszczyzną masy od spodu. Taka konfiguracja dobrze nadaje się do pracy w zakresie wysokich częstotliwości. Zapewnia też dobrą izolację od zaburzeń. Kolejną zaletą jest elastyczność, jaką oferuje projektantom, dzięki czemu mają wiele opcji, jeżeli chodzi o dokładne dopasowanie impedancji.
GCPW w praktyce
GCPW wymagają starannego projektowania – zaniedbania w tym zakresie mogą mieć poważne konsekwencje, niwecząc pozostałe starania. Podobnie jak w przypadku innych typów linii transmisyjnych, ich wymiary, zależności pomiędzy poszczególnymi wymiarami i spójność wykonania mają kluczowe znaczenie. Przede wszystkim, im dłuższa jest linia transmisyjna, tym na większe zaburzenia będą narażone sygnały nią propagowane. Dlatego ważne jest, by jej długość nie przekraczała 10% długości fali, szczególnie w urządzeniach pracujących w zakresie wysokich częstotliwości. W tym przypadku istotne jest również to, aby szerokość szczelin izolacyjnych była stała na całej długości linii transmisyjnej. Odstępy powinny być również cieńsze niż otaczające je płaszczyzny masy. Szerokość tych szczelin wpływa na impedancję charakterystyczną, zatem precyzja w tym zakresie zapobiega niedopasowaniu impedancji. Poza tym podłoże dielektryczne powinno być dwukrotnie grubsze od szerokości ścieżki (rys. 6).
Podsumowanie
Wykonanie linii transmisyjnych w postaci GCPW warto wziąć pod uwagę, jeżeli istnieje duże prawdopodobieństwo wystąpienia zaburzeń, kiedy koszt nie jest priorytetem, natomiast ważna jest kompaktowość konstrukcji. Choć są droższe niż rozwiązania alternatywne, jak linia mikropaskowa, generalnie bowiem w większości sytuacji sprawdzają się lepiej.
Monika Jaworowska
