Разработка антенны на ПП от чайника
Введение.
В этой статье будет рассказано о моих результатах проектирования антенны на печатной плате (ПП) в виде анализа и практических советов. Поскольку я далек от данной области и не являюсь специалистом или полуспециалистом в антеннах, то и статья написана для обычных «рабочих лошадок» широкого профиля и не содержит утверждений, за которые я бы «дал зуб».
Наверное, самое темное и спекулятивное место на ПП — антенна, поскольку она выходит из удобных границ квазистационарного поля, позволяющего сводить элементы топологии к длинным линиям, индуктивностям и емкостям, и функционирует на уровне первозданного электромагнитного поля со всеми вытекающими сложностями. Задача, которая была поставлена перед мной, банальна и типична: для удешевления производства необходимо заменить покупную керамическую антенну, работающую в 3 диапазонах (703–960 Мгц, 1710–2200 Мгц, 2500–2690 МГц, стандартные диапазоны для сотовой связи) на антенну на ПП. Место под антенну на ПП подрасширили по сравнению с керамикой, и дело осталось за малым — спроектировать антенну.
Мой опыт по рисованию антенн на ПП был типовым, как и задачи: BLE, WIFI и субгигагерцовые транссиверы, берем мануал от уважаемой «конторы», я брал каталог антенн от TI, копируем и подрезаем/удлиняем, чтобы резонанс s11 был на желанной частоте. Но постепенно у меня накопились подозрения, что не все так просто. Поскольку приходилось перебирать разные антенны — и на ПП, где есть место, и различные керамики, где места нет, то у меня накопился некий опыт, который не всегда сходился с простой догмой: лучше s11 — лучше антенна. Результатом этого наблюдения стало расширение процедуры настройки антенн:
Геометрически рихтуем до резонанса на желаемой частоте (пусть резонанс и не глубокий)
Подбираем согласующую пассивку под максимум RSSI
Второй пункт нуждается в уточнении. Бытовому пользователю (думаю, 99% антенн на ПП приходится на обычные пользовательские устройства) глубоко безразлично как хорошо антенна согласована на 50 Ом или на импеданс микросхемы (субгигагерцовые трансиверы не редко хотят сложный комплексный импеданс для оптимальной работы, а не простого 50 Ом согласования), пользователь ощущает лишь дальность и надежность связи, что проще всего связать с RSSI. Поскольку RSSI зависит еще от угловой ориентации (диаграмма направленности антенны), то необходимо определиться какой RSSI использовать, я использовал максимальный, поскольку полагал, что он наиболее стабилен при настройке. Позже кратко вернемся к этому вопросу. Я не утверждаю, что s11 не важен, усилители от 10 Вт, которые мне попадались, требует минимальной нагрузки — при ХХ они выходят из строя. Но обычные модули и микросхемы для бытовых применений избавлены от треования минимальной нагрузки (в противном случае их бы мало кто использовал). Если открутить внешнюю антенну от модема сотовой связи, его потребление увеличивается около 10–20%. Это единственный негативный результат (плюс соответсвующий небольшой нагрев), который я наблюдал.
Для широкодиапазонной антенны все намного сложнее. Во-первых, измерение требуется для разных частот и одним RSSI не обойтись, а перенастраивать модем на разные частоты и ждать пока он «выплюнет» CSQ — лучше сразу пристрелить себя. Всевозможных антенн со всякими хитроумными формами на просторах интернета очень много, есть и форумы и статьи, но не понятно как их адаптировать под свои условия. По опыту настройки заметно ощущается зависимость от толщины платы, от окружения земли даже для 2.4 ГГц. Понятно, что для НЧ диапазона (703–960 МГц) размеры земель на краях антенны будут еще заметнее влиять, как и толщина ПП. Оба эти фактора уточняются производителями и творцами антенн. К тому же моделировать антенны в специализированных программных средах я не умею.
Описание методики.
Из сказанного выше вполне естественно определять качество антенны по s12, где к одному порту векторного анализатора подключается испытываемая антенна, а к другому приемная. Тогда сравнивая s12 собственной антенны с s12 опорной можно получать численную и наглядную характеристику ее качества. Понятно, что без поглотителей s12 будет иметь неравномерность и паразитные резонансы, но общее представлениео об антенне можно быстро получить в режиме реального времени. Более того, вращая антенну, можно получить представление о диаграмме направленности, что тоже довольно важно.
В качестве опорной и приемной антенн использовались широкополосные, направленные антенны (рис 1). Уровень сигнала s12 в одном положении не определяет качество излучения антенны, так как полная энергия определяется взвешенным интегралом от s12* s12 по всему телесному углу. Поэтому максимум s12 у более эффективной антенны может быть слабее, чем максимум у менее эффективной, но зато иметь более равномерное излучение. Направленная антенна с учетом этого замечания мне видится наиболее подходящей, поскольку близка к максимально достижимому максимуму s12 (по крайней мере для меня), и по ней удобно сравнивать максимум излучения для своей антенны. Расстояние между антеннами желательно выбрать значительно больше максимальной длины волны, но в пределах надежного измерения при данном полосовом фильтре векторного анализатора. Поскольку направленная антенна похожа на шпатель, то свойство похожести на нее я буду называть «шпательностью».
Антенна на ПП вырезалась из медной фольги с помощью плоттера. Фольга клеилась на тонкую пленку, а плоттер по файлу вырезал геометрию антенну. Потом пинцетом выскабливалась лишняя фольга, антенна вырезалась из пленки и с помощью клея-карандаш приклеивалась к ПП. Плоттер спокойно вырезает зазоры и толщины 0.3 мм. Приклеивая и отклеивая антенны, можно сравнивать предыдущие дизайны сразу же друг за другом.
Описанная методика определения качества антенны для моих нужд дает повторяемую и прямо связанную с тем, что требуется от антенны, оценку. Антенна с лучшей «шпательностью»*телесный_угол имеет лучшее CSQ и большую дальность связи. Цена такой установки более чем подъемна — векторный анализатор можно не дорого купить на алиэкспресс (NanoVNA), цена плоттера — 30 т.р., антенны и кабель — пусть около 10 т.р. Зато имеется быстрый и достаточно надежный способ оценки качества проектируемой антенны.
Прямая корреляция между «шпательностью»*телесный_угол и качеством антенны проверялась дальностью отправки данных на трассе и уровнем CSQ в комнатных условиях. Поскольку дальность связи определяется НЧ частью, то наиболее упорная оптимизация антенны делалась для этого диапазона частот.
Рекомендую измерения проводить сразу на целевой плате (максимально приближенная к боевой), в которой предусмотрена область под антенну. До того как ко мне пришла целевая плата, я тестировал антенну на стеклотекстолите такой же толщины и такими же геометрическими размерами полигонов и вырезом под антенну. Но, когда пришла целевая плата, и я переклеил антенну на нее, то все сильно разошлось на НЧ диапазоне. Думаю, что расхождение по большей части обусловлено качеством соединения земель на верхней и нижней сторонах. На целевой плате периметр антенны прошит переходными антеннами, а на тестовой я всего лишь толстым медным проводом соединил стороны через торец платы.
Наблюдения.
Прежде всего, конечно же, бросается в глаза тот факт, то s11 очень косвенно связан со «шпательностью» антенны. Можно получить хорошее s11 (лучше 10 дБ), но при этом s12 будет весьма посредственным. Это связано с тем, что в этом случае мы добились согласования потерь в меди/диэлектрике, а не получили качественный переход энергии в излучение. Куда большую релевантность имеет не уровень отражения в резонансе, а общий базовый s11 в данном диапазоне. Как правило, чем он ниже, тем лучше «шпательность»*телеснный_угол. Базовый уровень согласования у меня получался от -2 до -5 дБ. Плохо это или хорошо? Не плохая, на мой взгляд, антенна имеет эффективность 50%. Это значит, что отражается не более половины энергии, или, что s11 не хуже 3 дБ.Т. е. если базовый уровень s11 на уровне 4–5 дБ, то, наверное, следует ожидать эффективность излучения около 50%. Без программной оптимизации, как мне кажется, ожидать лучшего сложно.
Второе любопытное наблюдение — то, что простые формы антенн вполне не плохо излучают. С этой точки зрения показательна статья «Planar Compact LTE/WWAN Monopole Antenna for Tablet Computer Application» 2013 года, в которой показана эволюция дизайна антенны. К сожалению в этой статье не приведена эволюция эффективности, а только улучшение s11.
Чем лучшего базового согласования удавалось добиться, тем сильнее повышался телесный угол излучения. Между достижением пикового излучения и величиной телесного угла с приемлемым уровнем излучения лучше выбрать величину телесного угла. Поскольку при движении пространственная ориентация меняется, то шанс получить связь тем выше, чем больше «шпательность»*телесный_угол. Хорошая внешняя антенна, которая меньше всего теряла связь на трассе, и с которой сравнивалось качество антенны на ПП, имеет аксиально-симметричную диаграмму излучения (как у диполя) и естественным образом устанавливается на поверхность так, что «светит» в горизонтальной плоскости. Когда антенна на ПП теряла связь, то часто можно было развернуть ее, и связь восстанавливалась.
Любопытным для этой антенны оказалось использование конденсатора между точками антенны. Поскольку наиболее приоритетным для данной задачи было создание НЧ спектра (703–960 МГц), то на среднюю и ВЧ часть я особо не обращал внимание. После того, как я сделал все, что мог с НЧ частью, средняя часть оказалась не очень (s11 на уровне -2 дБ, s12 имеет малый телесный угол). Я стал отрезать части полученной антенны и нашел конфигурацию, при которой средняя часть спектра значительно улучшилась, после этого я закоротил 0.5 пФ части антенны и получил значительно улучшенную среднюю часть спектра (и даже ВЧ улучшилось), практически не изменив НЧ часть.
Заключение.
В этой заметке я привел методику, которая позволила мне за относительно короткий срок сделать приемлемую для поставленной задачи антенну на ПП. При этом я не использовал цифровое моделирование и не имел никаких наработок в проектировании антенн. На работу я потратил около 2.5 недель. 4 дня — придумал и подготовил испытательный стенд, повырезал сам (без плоттера) из фольги антенны и тестировал их на стенде. Неделя — после определенных результатов заказал целевую плату в резоните с выделенным местом под антенну, модемом и переходными отверстиями. Параллельно отработал методику работы с плоттером. И по приходу платы, еще неделя ушла на доработку антенны на целевой плате и сравнение антенн на трассе. Таким образом любой инженер может в весьма сжатый срок подготовить и проверить решение по антенне, поиск и общение с антенщиком займет больше времени.
Ниже представлю некоторые результаты измерений антенны (саму антенну не покажу, так как работаю в коммерческой фирме, и по этическим соображениям не хочу показывать конкретные результаты труда).
Аналогичные работы я провел с антенной на 2.4 ГГц. Я сравнил ее с керамической антенной, взяв те же габариты, которые заложены для BLE антенны на ПП на другой плате. Получилось подобрать форму с неплохим s12 (максимум на уровне шпательной антенны) и с s11 на уровне -6 дБ без резонанса (получилась относительно широкая полоса). По результатам измерения у антенны на ПП RSSI получился хуже, чем у керамики (у керамики максимально -45 dbm, у полученной антенны -52 dbm), но устройств с антенной на ПП было видно заметно больше. Глубже узкодиапазонную антенну я не изучал. Возможно в этой задаче есть специфика, а может микросхема грубее определяет RSSI, если видит заметно больше приборов, но по уровню s12 керамическая антенна была слабее.
Надеюсь, что описанный мной опыт будет полезен инженерам, не имеющим специализированных навыков проектирования антенн, так же как и полезен для быстрой проверки качества проектируемой антенны. А так же будет внесен вклад в борьбу со стереотипом, что, если антенна имеет низкое отражение, значит она работает хорошо, и между этими характеристиками прямо пропорциональная зависимость.
