Antena

Najbolji primjeri iz prakse za implementaciju RF antene i uklanjanje pogrešaka

Opis

S proliferacijom bežičnih uređaja, jaka snaga signala i dizajn i integracija RF antene visoke kvalitete sada su potrebni za optimalnu izvedbu. Bilo da se radi o gotovom proizvodu ili visoko prilagođenom rješenju, integracija antene nije trivijalna niti bi trebala biti naknadna misao. Ulazna impedancija antene mora biti usklađena s 50Ω kako bi se osigurao maksimalni prijenos snage iz RF kruga u antenu bez refleksije.

Ključni aspekti implementacije RF antena

Jedan od najkritičnijih čimbenika u implementaciji trace ili čip antene je usklađivanje impedancije antene s radio čipom. Antene moraju biti usklađene impedancije kada se sastavljaju u proizvod, jer neusklađenost antena može dovesti do sljedećih posljedica:

Smanjeni gubitak dometa: neusklađenost impedancije uzrokuje više refleksije signala, što daje manje snage za zračenje antene u slobodni zrak, smanjujući domet

Smanjite povratni gubitak antene na određenoj željenoj radnoj frekvenciji: Na željenoj radnoj frekvenciji, antena bi trebala imati povratni gubitak od najmanje -10 dB ili manje. Neusklađenost impedancije povećava povratni gubitak u željenom frekvencijskom rasponu, što rezultira smanjenom RF snagom koja se isporučuje anteni u tom frekvencijskom rasponu

Veća potrošnja energije: Antena zrači manje snage zbog refleksije signala uzrokovane neusklađenošću impedancije. To će zahtijevati da RF čip odašilje signal većom snagom kako bi se postigao željeni raspon, povećavajući ukupnu potrošnju energije

Zagrijavanje RF čipa zbog refleksije signala: refleksija signala zbog neusklađenosti impedancije uzrokuje protok RF energije natrag u odašiljač, uzrokujući zagrijavanje odašiljača, čime se produljuje životni vijek odašiljača

Nepouzdana propusnost podataka: Visoka stopa pogreške paketa (PER) zbog neusklađenosti impedancije, refleksije signala i propusnost podataka RF primopredajnika možda neće biti optimalna za ovaj proizvod

Većina PCB trace ili čip antena konstruirana je kao četvrtvalni monopol, koji zahtijeva čvrstu ravninu uzemljenja na svim PCB slojevima kako bi pravilno funkcionirao. Ova ravnina uzemljenja naziva se "paralelna" i važna je jer djeluje kao lažni stup za monopolnu antenu, omogućujući joj da funkcionira kao puna dipolna antena.

Uravnotežena duljina i širina trebaju biti najmanje λ/4 jedinice. Donja slika prikazuje učinak različitih veličina ravnine uzemljenja korištenjem primjera implementacije antene na čipu.

Osim toga, PCB materijal također utječe na impedanciju antenskog sustava. Osobito za supstrate tipa FR4, koji također ovise o uzorku tkanja, što rezultira promjenama u dielektričnoj konstanti materijala ovisno o nepropusnosti tkanja i mogućim lokalnim diskontinuitetima impedancije zbog promjena u parazitnom kapacitetu. Za implementaciju PCB trace antena, dizajneri moraju strogo slijediti smjernice za projektiranje antene i preporuke proizvođača antene o širini traga, nizu slojeva, veličini ravnoteže, PCB materijalu i uzorku tkanja materijala, tako da pri implementaciji trace ili čip antene za najbolje rezultate . Impedancija antenskog sustava također je pod utjecajem drugih komponenti strujnog kruga oko njega i materijala kućišta proizvoda i treba je uzeti u obzir.

Ugađanje antene pomoću vektorskog mrežnog analizatora (VNA)

Neusklađenost impedancije može se otkloniti pomoću vektorskog mrežnog analizatora (VNA). Prema zadanim postavkama, VNA vrši mjerenja na ravnini kalibracije i zahtijeva kalibraciju prije mjerenja. Kako bi se uskladila impedancija između antene i RF čipa, potrebno je izmjeriti povratni gubitak (RL), poznat i kao parametar S11.

Hajdemo razumjeti metodu kalibracije vektorskog mrežnog analizatora (VNA)

Većina VNA ima N-tip konektora kao svoje priključke. Prvi korak u otklanjanju pogrešaka u bilo kojem antenskom sustavu je kalibracija VNA na kalibracijskoj ravnini korištenjem Type-N do SMA kabela i raznih (otvorenih, kratkih i 50Ω) kalibracijskih standarda. VNA mora biti spojen na antenski sustav tako da mreža za podudaranje također bude uključena u proces mjerenja. To se može učiniti instaliranjem otpornika serije 0Ω na “MC1” i korištenjem prikladnog kabela koji se naziva “port produžetak”. Proširenje priključka mora imati poznatu duljinu i poznati faktor brzine jer se ti podaci moraju unijeti u VNA kako bi se kompenzirala dodatna duljina i impedancija koje proširenje priključka dodaje sustavu tijekom mjerenja. Osim toga, proširenja priključka trebaju biti odabrana tako da njihova karakteristična impedancija odgovara ciljnoj impedanciji sustava.

Drugi način kalibracije VNA je stvaranje stanja kratkog spoja/otvorenog spoja/opterećenja (SOL) na samoj tiskanoj ploči pomoću odgovarajućih jastučića za komponente. Ovo ne zahtijeva proširenja priključka aplikacije. Ovisno o izvedbi ploče, treba odabrati odgovarajuću metodu od dvije.

Usklađivanje impedancije pomoću Smithove karte

VNA daje impedanciju antenskog sustava u obliku kompleksa R+jX Ω, gdje je R stvarni dio impedancije zbog čistog otpora, a X je kompleksni dio impedancije zbog reaktancije. Nakon što se dobije kompleksna impedancija antenskog sustava, ona se može iscrtati na "Smith Chart" kako bi se odredile vrijednosti i topologija potrebnih komponenata za usklađivanje. Ovih dana to se lako može učiniti pomoću programa kao što je "SimSmith".

Uvođenje kompleksne impedancije antenskog sustava u SimSmith rezultirat će iscrtavanjem točke na odgovarajućoj točki na Smithovom grafikonu. Kao što je prikazano na gornjoj slici, kompleksna impedancija antenskog sustava može se nalaziti u induktivnoj ili kapacitivnoj polovici Smithove karte. Usklađene mrežne komponente određene su za usklađivanje antenskog sustava s ciljnim usklađivanjem opterećenja korištenjem nekoliko ključnih točaka:

Kompleksne točke impedancije nacrtane serijskim induktorom koji se kreće u smjeru kazaljke na satu duž kružnice stalnog otpora

Složene točke impedancije nacrtane serijskim kondenzatorima koji se kreću u smjeru suprotnom od kazaljke na satu duž kruga konstantnog otpora

Složene točke impedancije nacrtane paralelnim induktorima koji se kreću u smjeru suprotnom od kazaljke na satu duž konstantne kružnice

Složene točke impedancije iscrtane paralelnim kondenzatorima koji se kreću u smjeru kazaljke na satu duž kruga konstantne vodljivosti

Višestruke komponente ili kombinacije komponenti mogu biti potrebne u serijskim ili paralelnim konfiguracijama za usklađivanje ciljane impedancije

Najbolje je koristiti serijski induktor i šant kondenzator jer će povećanje vrijednosti komponenata oba uzrokovati dalje pomicanje ucrtane točke impedancije duž lokus kruga konstantnog otpora/vodljivosti. To je prednost jer je praktički nemoguće postići ekstremno niske vrijednosti induktiviteta ili kondenzatora

Korištenje jedne podudarne mreže obično rezultira padom propusnosti sustava, višestruki stupnjevi podudarne mreže mogu se koristiti za postizanje odgovarajućeg podudaranja i optimalne propusnosti

Na primjer, donja slika prikazuje usklađivanje antenskog sustava s kompleksnom impedancijom od 25+j8.5Ω na ciljnu impedanciju od 50Ω pomoću serijskog induktora i paralelnog kondenzatora.

Iako se usklađivanje impedancije može činiti kompliciranim, ono osigurava najbolje performanse bilo kojeg bežičnog proizvoda gdje bi antena inače mogla postati usko grlo u performansama proizvoda.

Povezivati ​​se Pošta