ПЕЧАТНАЯ PCB - Интеграция дипольных антенн в конструкцию PCB

В RF и беспроводной конструкции продукта дипольная антенна является фундаментальной и широко используемой структурой из-за своей простоты, всенаправленного излучения ипредсказуемых характеристик импеданса.

В этой статье рассматриваются практические аспекты конструкции дипольной антенны PCB, связанные с ней проблемы и инженерные методы для обеспечения последовательности производительности в реальных приложениях.

1. Почему дипольные антенны на ПХД?

Диполярная антенна состоит из двух симметрических проводящих элементов, подаваемых в центре. В типичном полуволновом диполе свободного пространства каждая рука имеет длину λ/4 (где λ является длиной волны на центральной частоте), что делает общую длину примерно λ/2.

На ПХД конструкторы часто гравируют геометрию диполя на медный слой, заменив традиционные элементы проволоки. Это позволяет беспрепятственно интегрировать антенну в макет платы, снижая затраты на сборку и механическую сложность.

К ключевым преимуществам относятся:

Компактная интеграция в устройства с низким профилем

Нет необходимости в внешних компонентах антенны

Эффективное массовое производство

Совместимость со стандартными процессами изготовления ПХД

2. Эффекты субстрата и эффективная длина волны

Критической проблемой при проектировании дипольных антенн на ПХД является влияние субстрата на электромагнитное поведение.

Диэлектрическая константа (εr) материала подложки влияет на эффективную длину волны (λ_eff), которая короче, чем в свободном пространстве из-за замедления волны в диэлектрической среде. Это приводит к:

λ_eff = λ₀ / √ε_eff

Где:

λ₀ = длина волны в свободном пространстве

ε_eff =эффективная диэлектрическая константа (обычно между 2,2 - 4,5 для FR-4, Роджерса и т. д.)

В результате, диполь λ/2 на 2,4 ГГц в свободном пространстве (~62,5 мм общей длины) может потребоваться сократить до 40-50 мм при реализации на стандартной ПХД FR-4.

3. Соответствование импеданса и конструкция корма

Для максимальной передачи мощности и минимального отражения импеданс антенны должен соответствовать фронт-энду радиочастотной связи (обычно 50Ω). Дипольная антенна в свободном пространстве в идеальном случае демонстрирует импеданс ~73Ω при резонансе, но реализация ПХД вводит паразиты и разрушающие эффекты из-за плоскости земли и близлежащих следов.

Общие методы сопоставления импеданса включают:

Схемы Balun (сбалансированный-несбалансированный трансформатор)

LC совпадающие сети

Микрополосы конусы или стубки

Оптимизация конструкции линии подачи (копланарный волновод или микроплоска)

Некоторые дизайнеры также решают создать складанную дипольную структуру, чтобы повысить импеданс до около 300 Ω, который затем может быть преобразован до 50 Ω с помощью соответствующей сети или интегрированного балуна.

4. Соображения в отношении наземного плана и изоляции

В отличие от монопольных антенн, которые требуют плоскости земли в качестве зеркального изображения для эффективного излучения,Диполярная антенна является сбалансированной структурой и лучше всего работает с минимальным соединением с землей.

Однако в конструкции ПХД наличие большой плоскости земли может помешать радиационной симметрии, вызвать несоответствие импеданса и искажать узор дальнего поля.

Наилучшая практика включает:

Размещение диполя вблизи края ПХД

Минимизация меди ниже или рядом с антеннами

Использование зоны чистоты от земли вокруг антенны (например, 5-10 мм)

Избегать маршрутизации сигнала или питания под антенной

В многослойных конструкциях крайне важно тщательное планирование складывания слоев. Антенны в идеале должны находиться на верхнем слое, вдали от внутренних силовых плоскостей или шумных цифровых сигналов.

5. Моделирование и проверка

Инструменты электромагнитного (ЭМ) моделирования, такие как CST Studio, HFSS или Keysight EMPro, имеют важное значение для прогнозирования потери возврата антенны S11, радиационной структуры, увеличения и эффективности перед переходом на оборудование.

В частности:

S11 < -10 дБ в желаемом диапазоне частот считается хорошим совпадением.

Эффективность излучения более 30-50% приемлема для компактных устройств на потерянных подложках, таких как FR-4.

3D-модель излучения должна удовлетворять потребностям покрытия приложения.

После изготовления антенна должна быть проверена с помощью VNA (Vector Network Analyzer) и, в идеале, в анехоической камере для измерения фактического усиления и радиационных характеристик.

6. Оптимизация размещения антенны в компактных корпусах

С ростом спроса на миниатюризированные беспроводные устройства дизайнеры часто сталкиваются с серьезными пространственными ограничениями, особенно в носимых устройствах, компактных модулях IoT и устройствах отслеживания. Эти ограничения значительно влияют на производительность дипольной антенны PCB.

Ключевые стратегии оптимизации макета в жестких условиях упаковки включают:

Избегайте высокочастотных источников шума: держите антенну подальше от часов, высокоскоростных интерфейсов и мощной электроники, чтобы уменьшить помехи.

Поддержание симметрии: Обеспечьте, чтобы две руки диполя были максимально симметричными, чтобы сохранить сбалансированные радиационные модели.

Использование неэлектрических зон: разместить элементы антенны в «мертвых зонах» PCB, таких как близко к краям платы или между монтажными отверстиями.

Учитывая эффекты корпуса: пластиковые корпусы или металлические щиты могут отключить антенну; включить модели корпуса в ЭМ-симуляции для точных прогнозов.

Использование гибких расширений ПХД: Если основная плата слишком мала, антенна может быть спроектирована на гибком расширении ПХД, сложенном в доступные пространства корпуса.

Вертикальное накладывание: Для некоторых конструкций накладывание элементов антенны вертикально (вдоль оси Z) может улучшить радиационные характеристики и преодолеть ограничения бокового пространства.

Хотя эти ограничения не могут быть устранены, тщательная механическая и электрическая совместная конструкция может максимизировать эффективность антенны и стабильность частот в компактных продуктах.

Вывод

Диполярные антенны PCB предлагают практическое и компактное решение для беспроводных приложений, но их производительность зависит от тщательного внимания к выбору материала, геометрии, конструкции подачи и ограничениям макета PCB. В отличие от проводных антенн в открытом пространстве, диполи на основе ПХД должны бороться с потерянными субстратами, близлежащими земными плоскостями и производственными допусками. Таким образом, моделирование, прототипирование и тестирование по-прежнему имеют решающее значение для создания надежной и эффективной системы антенн.

Независимо от того, разрабатываете ли вы простой беспроводный датчик или более продвинутый радиочастотный модуль, освоение интеграции диполя в макет PCB является ценным навыком, который соединяет теорию радиочастотной связи с практической электронной инженерией.