Wybór anteny do urządzenia bezprzewodowego

W idealnej sytuacji projektant powinien dokonać wyboru i rozmieszczenia na płytce komponentów w.cz. na samym początku procesu projektowania, przed rozpoczęciem pracy z innymi blokami. W rzeczywistości często nie jest to jednak możliwe, przy projektowaniu obwodu radiowego trzeba zatem uwzględniać ograniczenia wprowadzane przez inne elementy systemu. W tekście przedstawione zostaną dodatkowe etapy cyklu projektowego związane z koniecznością montażu anteny. Pierwszym z nich jest wybór anteny najlepiej dopasowanej do potrzeb i uwarunkowań systemu.

Jednym z najpopularniejszych typów anten spotykanych we współczesnych systemach elektronicznych są wersje SMD. Do ich głównych zalet należą niewielki rozmiar oraz dobra jakość oferowanych parametrów. Przeznaczone są do montażu powierzchniowego, co znacznie upraszcza ich integrację w systemie i nie wpływa na wzrost kosztów wykonania urządzenia.

Kolejnym z popularnych wyborów są gotowe moduły do komunikacji radiowej, wyposażone nie tylko w antenę, ale również w obwody kształtowania i dopasowania sygnału. Jest to rozwiązanie nieco kosztowniejsze, pozwala jednak na całkowitą eliminację konieczności projektowania własnych obwodów mikrofalowych – znacząco przyspiesza to proces konstruowania oraz testowania urządzenia, istotnie ogranicza też konieczność posiadania wiedzy eksperckiej z zakresu komunikacji radiowej.

Następnym z interesujących oraz stosunkowo częstych wyborów są anteny typu FPC (Flexible Printed Circuit), wykonane na podłożu elastycznym. Świetnie sprawdzają się w projektach, które charakteryzują się restrykcyjnymi wymaganiami odnośnie do rozmiarów, kształtu oraz wagi urządzenia, a także tam, gdzie z dowolnych innych względów nie jest możliwe umieszczenie anten typu SMD. Anteny FPC składają się ze struktury emitera wytworzonego na podłożu elastycznym oraz przewodu połączeniowego zakończonego złączem służącym do połączenia z resztą systemu. Są wystarczająco cienkie oraz elastyczne, aby możliwe było ich zginanie oraz zwijanie w celu dostosowania kształtu do dostępnej w obudowie wolnej przestrzeni. Rodzaj ten jest popularny szczególnie w przypadku niewielkich rozmiarów urządzeń przenośnych.

Jeśli projekt urządzenia zawiera komponenty mogące mieć negatywny wpływ na jakość pracy anteny, konieczne może być skorzystanie z wersji zewnętrznej. Elementy wbudowane charakteryzują się istotnym pogorszeniem wydajności pracy w przypadku lokalizacji w pobliżu obiektów wykonanych z metalu.

Anteny do montażu zewnętrznego nie tylko ograniczają wpływ zakłóceń generowanych przez obecne w układzie komponenty, ale także zmniejszają zużycie miejsca na płytce drukowanej. Są zatem dużo łatwiejsze w integracji od ich wbudowanych odpowiedników.

Rozmieszczenie anteny w układzie

Spośród wszystkich komponentów wchodzących w skład typowego obwodu do komunikacji radiowej, antena charakteryzuje się niewątpliwie największą zależnością efektywności pracy od odpowiedniej lokalizacji. Z tego powodu wysoce rekomendowane jest, aby decyzja o sposobie umieszczenia tego elementu w układzie podjęta została już na początku procesu projektowania urządzenia.

Wersja do montażu powierzchniowego jest lutowana bezpośrednio do płytki drukowanej, zaś miejsce jej lokalizacji, jak już wspomniano, ma istotny wpływ na jej wydajność. Zależnie od charakterystyki promieniowania anteny będzie ona wypromieniowywać energię elektromagnetyczną w określonych kierunkach. Ważne jest zatem, aby na drodze propagacji sygnału nie było przeszkód oraz obiektów mogących stanowić źródło odbić oraz absorpcji fali elektromagnetycznej. Z tego powodu bardzo często umieszczane są one w narożnikach urządzenia lub przynajmniej na krawędziach płytki PCB. Szczegółowe wytyczne i wskazówki odnośnie do lokalizacji konkretnego modelu znaleźć można zazwyczaj w dokumentacji udostępnianej przez producenta.

Istnieją pewne grupy komponentów, które muszą być umieszczone w możliwie najdalszej odległości, ponieważ silnie zakłócają pracę anteny. Do tego typu układów zaliczyć można silniki elektryczne, baterie oraz akumulatory, a także wszystkie elementy wykonane w dużej części z metalu, jak np. ekrany LCD.

Zakłócenia w propagacji sygnału wprowadzać może także obudowa urządzenia. Należy zachować szczególną ostrożność przy wyborze materiału do konstrukcji obudowy, nawet jeśli jest to materiał pozornie nieszkodliwy. Przykładowo, niektóre rodzaje plastiku charakteryzują się wyższą wartością przenikalności elektrycznej niż powietrze, co może spowodować przesunięcie charakterystyki częstotliwościowej.

Płaszczyzna uziemienia oraz projekt płytki

Anteny SMD do poprawnej pracy wymagają zazwyczaj odpowiednio skonstruowanej płaszczyzny uziemienia. W systemach mikrofalowych stanowi ją część powierzchni płytki drukowanej wykonana w postaci ciągłego obszaru przewodnika. Płaszczyzna uziemienia zapewnia odbicie części propagowanej energii elektromagnetycznej (która w przeciwnym przypadku zamieniona zostałaby w energię cieplną), zwiększając sprawność anteny. Płaszczyzna uziemienia musi charakteryzować się określoną długością, proporcjonalną do długości emitowanej fali.

Szczegóły odnośnie, projektowania płaszczyzny uziemienia znaleźć można w dokumentacji udostępnianej przez producenta anteny. Przykładowo, dla niektórych modeli płaszczyzna uziemienia będzie musiała być umieszczona poniżej anteny, zaś w innych przypadkach w jej bezpośrednim sąsiedztwie.

Oprócz wymogów dotyczących płaszczyzny uziemienia, anteny często wymagają też określonego obszaru wolnej przestrzeni w swoim najbliższym sąsiedztwie. Jest to tzw. keep-out area, czyli obszar, na którym nie można umieszczać żadnych komponentów, gdyż zakłóciłoby to pracę emitera. Wielkość tej strefy również zależy od typu oraz modelu anteny.

W celu zachowania wysokiej efektywności obwodu RF zalecane jest również projektowanie możliwe krótkich ścieżek przesyłających tego typu sygnał. Wraz ze wzrostem długości linii rośnie ich impedancja, a co za tym idzie wartość tłumienia przesyłanego sygnału. Najkorzystniej jest zatem umieścić wszystkie elementy obwodu RF możliwie blisko promiennika.

Podczas łączenia ze sobą poszczególnych elementów obwodu RF pamiętać należy także o zapewnieniu dopasowania impedancji – im gorsze dopasowanie, tym większy poziom odbić sygnału oraz związanych z tym strat energii w obwodzie.

 

Rys. 1. Wśród dostępnych na rynku rodzajów anten znaleźć można (na ilustracji kolejno od lewej) anteny do montażu SMD, anteny FPC oraz anteny do użytku zewnętrznego

Przegląd projektu oraz testowanie układu

Przed finalizacją projektu warto przeprowadzić przegląd wygenerowanych plików Gerber pod kątem poprawności lokalizacji komponentów oraz prowadzenia ścieżek obwodu w.cz. Usługę tego typu przeglądu często znaleźć można w ofercie producentów anten oraz modułów komunikacyjnych. Niektórzy wykonują ją za dodatkową opłatą, w innych może być przeprowadzona za darmo, zaś jeszcze inni oferują darmowe oprogramowanie do samodzielnego dokonania takiego sprawdzenia.

Kolejnym etapem weryfikacji poprawności pracy anteny będą pomiary praktyczne, które przeprowadzić należy w komorze bezodbiciowej. Może się jednak okazać, że antena charakteryzuje się bardzo dobrą jakością pracy w warunkach laboratoryjnych, w idealnym środowisku wolnym od zewnętrznych źródeł odbić oraz zakłóceń, jednak w rzeczywistym świecie jej efektywność znacznie maleje. Jest to szczególnie częste w przypadku urządzeń pracujących w bezpośrednim sąsiedztwie ludzkiego ciała, takich jak elektronika noszona lub aparatura medyczna. W przypadku tego typu systemów podczas testów w komorze bezodbiciowej należy zatem umieścić układ na fantomie imitującym ludzkie ciało, w sposób możliwie zbliżony do normalnej pracy urządzenia.

Przeprowadzenie odpowiednio wyczerpujących testów ma krytyczne znaczenie dla sukcesu całego projektu – przed wypuszczeniem produktu na rynek należy mieć pewność, że urządzenie poradzi sobie w zmieniających się warunkach codziennej eksploatacji. Ponadto w przypadku wielu protokołów komunikacji bezprzewodowej określony zestaw badań jest niezbędny do uzyskania certyfikacji poświadczającej kompatybilność układu z daną technologią.

Podsumowanie

Konieczność umieszczenia w projekcie anteny modyfikuje nieco kształt cyklu projektowego, wprowadzając do niego dodatkowe etapy – wybór rodzaju i modelu anteny, sposobu jej rozmieszczenia w układzie, zapewnienie odpowiednich warunków pracy (m.in. poprzez właściwy projekt płytki PCB) i ostatecznie sprawdzenie poprawności działania w rzeczywistych warunkach.

Damian Tomaszewski