Optymalizacja anteny BT - krok po kroku

Często uważa się, że doświadczony inżynier zawsze wykona prawidłowy projekt. Przy tej okazji zapomina się jednocześnie o tym, w jaki sposób projektanci, którzy osiągnęli wysoki stopień specjalizacji, zdobyli to doświadczenie. Wiadomo, że ich rozwój zawodowy często składał się z wielu niepowodzeń, długotrwałych analiz i wyciągania wniosków z popełnionych błędów. W szybko zmieniającym się świecie technologii nowe standardy oraz wymagania zmieniają się tak szybko, że coraz mniej kadry ma dość czasu, aby móc podążyć taką wspomnianą ścieżką samorozwoju, mieć okazję popełnić błędy i z nich się czegoś nauczyć. Wymagania i realia rynku są takie, że zaprojektować trzeba "dobrze i za pierwszym razem", po to, aby w jak najkrótszym czasie wprowadzić produkt na rynek. Rozwiązaniem tych problemów jest zaawansowane oprogramowanie EDA, w którym projektowanie elektroniki w pewnym stopniu zostało zautomatyzowane.

Eksperyment

W celu ilustracji procesu optymalizacji posłużyliśmy się projektem IIoT, w którym zadaniem było zintegrowanie płytki kontrolera z gotowym modułem anteny PCB dla Bluetooth w postaci projektu referencyjnego. Dla jasności rozważań usunięto zbędne złącza, wyświetlacz oraz możliwość dostosowania konfiguracji urządzenia za pomocą aplikacji na smartfonie. W ten sposób zadanie stało się typowe dla wielu różnych produktów.

W Internecie znaleźliśmy projekt referencyjny modułu Bluetooth firmy Cypress. W jego dokumentacji jest napisane, że służy on wyłącznie celom edukacyjnym i nie powinien być traktowany jako wersja do użycia w rzeczywistych produktach. Jest to prototyp do szybkiego opracowywania oprogramowania jeszcze przed zaprojektowaniem własnej płytki PCB.

schemat, BOM i projekt PCB, były dostępne w formacie Cadence Allegro. Z uwagi na przeznaczenie (prace B&R) oryginalny projekt płytki referencyjnej ma duże złącza przeznaczone do łatwego podłączenia sprzętu pomiarowego. Ponieważ celem była miniaturyzacja i optymalizacja wydajności anteny, pierwsze kryterium można osiągnąć, wymieniając złącza na sztywno-giętki laminat PCB. Ale czy ma to wpływ na wydajność anteny? Przeprowadziliśmy serię analiz typu "co by było, gdyby", aby zrozumieć wpływ tych zmian i opracować odpowiednie postępowanie, które pozwoli osiągnąć oba zakładane cele.

Import i konfiguracja danych projektowych w programie AWR Microwave Office nie są trudne. Porty potrzebne do umieszczenia wymuszeń zostały skonfigurowane i umieszczone na PCB automatycznie. Wprowadziliśmy rzeczywiste wartości charakterystyczne materiałów produkcyjnej płytki drukowanej o odpowiedniej grubości i stałych dielektrycznych (FR-4 Isola HR 370, εr = 4,0).

 

Rys. 1. Straty odbiciowe (return loss) dla różnych długości anten

W pierwszej analizie przyjrzeliśmy się długości anteny MIFA (Meandered Inverted F-Antenna) oraz obwodom dopasowującym impedancję wyjścia RF do anteny. Analiza polegająca na przemiataniu częstotliwości z różnym zestawem parametrów pozwoliła odnaleźć odpowiednią długość anteny dla częstotliwości roboczej 2,45 GHz. Należy wspomnieć, że oryginalna geometria anteny użyta w projekcie referencyjnym nie gwarantowała rezonansu dla wymaganej częstotliwości. Wyniki przemiatania są zaprezentowane na rysunku 1.

Kolejna automatyczna analiza z modyfikacją parametrów komponentów sieci dopasowującej impedancję anteny do wyjścia wzmacniacza mocy RF poprawiła jej wydajność. Tylko te dwie analizy (regulacja długość anteny oraz prawidłowe dopasowanie impedancji) pozwalają na zwiększenie zysku o 2 dB.

Miniaturyzacja anten wykonanych na PCB stanowi poważny problem, ponieważ do działania wymagają one wystarczająco dużej powierzchni masy stanowiącej przeciwwagę. Jeśli zmniejszymy powierzchnię PCB np. poprzez usunięcie dużych złączy, to tym samym całkowita powierzchnia masy też się zmniejszy. W projekcie referencyjnym przeciwwagę tworzą dwie warstwy na płytce PCB, plus kilka przelotek i ekran kabla łączącego.

Po usunięciu z projektu niepotrzebnych złączy i zastąpieniu ich laminatem elastycznym przeanalizowaliśmy płytkę PCB, na której znajdowała się już tylko właściwa antena i część sterująca. W rezultacie odkryliśmy, że pole masy w obszarze zminiaturyzowanej płytki nie wystarczy, aby antena działała zgodnie z oczekiwaniami. Konieczne jest zatem zapewnienie dodatkowej powierzchni uziemiającej na giętkiej części płytki łączącej. Z uwagi na wymaganą wytrzymałość mechaniczną projekt mozaiki dla obwodu elastycznego musi być wykonany w postaci kratownicy, co eliminuje możliwość pęknięć.

 

Rys. 2. Automatyczna optymalizacja układu dopasowania anteny

Pełna symulacja takiej struktury trwa bardzo długo, stąd do celów testowych zastąpiliśmy kratownicę pełną warstwą miedzi, upraszczając w ten sposób geometrię i uzyskując znaczne skrócenie czasu symulacji z 4 godzin do 20 minut.

Porównując rezultaty symulacji z uproszczoną strukturą masy oraz tę zdefiniowaną w postaci kratownicy, zauważyliśmy, że są one praktycznie identyczne. Oczywiście nie jest to regułą i trzeba to zawsze sprawdzić. Warto jednak analizować takie przypadki, ponieważ uproszczona struktura pozwala na wykonanie w znacznie krótszym czasie wielu symulacji z różnymi parametrami i na wyciąganie odpowiednio wcześniej wniosków. Oczywiście, po wprowadzeniu końcowych poprawek należy wykonać symulację w pełnej rozdzielczości na strukturach bez uproszczeń geometrii.

W kolejnej analizie symulowaliśmy wpływ odległości umieszczenia płytki z anteną od obudowy urządzenia z tworzywa sztucznego. Przy odległości 10 mm lub większej antena nie zmienia swoich właściwości i jej działanie jest prawidłowe (to jest tzw. praca w polu dalekim). Jednak mniejsze odległości instalacji od ścianek obudowy czy wręcz umieszczenie anteny poprzez jej przyklejenie bezpośrednio do ścianki powoduje znaczne pogorszenie wydajności anteny (ścianka obudowy znajduje się w polu bliskim).

Następna analiza dotyczyła możliwości kształtowania anteny oraz formowania zagięć giętkiej części płytki PCB oraz oceny, jak duży będzie wpływ zmiany kształtu części elastycznej na charakterystykę promieniowania. Projekty kształtów były wykonane w 2D, a zagięcia były modelowane trójwymiarowo.

 

Rys. 3. Rozkład gęstości prądu w zmodyfi kowanych kształtach płytki

Montaż mechaniczny

Po ustaleniu miejsca montażu w urządzeniu oraz określeniu długości i kształtu części elastycznej kolejnym otwartym pytaniem było, w jaki sposób zostanie zamocowany sztywny element płytki PCB, zakładając, że odległość od obudowy musi być nie mniejsza niż 10 mm.

Symulacja montażu za pomocą śrub, które były pierwszym wyborem, pokazała, że najlepsze z punktu widzenia montażu mechanicznego ich umiejscowienie będzie miało negatywny wpływ na pracę anteny. Alternatywnie wybrano rozwiązanie oparte o plastikowe zatrzaski. Ich montaż wymaga zaprojektowania dodatkowych wycięć oraz otworów w PCB, którym też należało się przyjrzeć.

Wizualizacja gęstości prądu na płytce drukowanej pokazała, że w wycięciach z narożnikami pod kątem 90° lub otworami montażowymi będą występować wysokie natężenia prądu w pobliżu kątów, co doprowadzi w konsekwencji do problemów z emisją zaburzeń elektromagnetycznych. Stąd w projekcie pojawiło się kilka zmian pod kątem zminimalizowania tego efektu.

Ostatecznie wyniki wszystkich symulacji pokazały możliwość zmniejszenia powierzchni modułu z anteną BT PCB o 53% w stosunku do pierwotnego rozmiaru z projektu referencyjnego. Dodatkowo udało się zwiększyć szerokość pasma i poprawić zysk o 6 dB.

Użycie odpowiednich narzędzi CAD na pewno pozwala na rozpoznanie tych potencjalnych problemów i zaradzenie im na etapie projektowania. Ostatecznie uważamy, że projekt referencyjny, który nie został stworzony z myślą o przemysłowym zastosowaniu, może być z powodzeniem przeprojektowany.

FlowCAD
www.FlowCAD.pl