Антенне, которая помещается на чертеже печатной платы, в изделии всё равно может потребоваться разделить пространство с батареей, корпусом и кабелями. Перед выпуском платы выберите архитектуру, подходящую для изделия, сохраните геометрию опорного проекта и спланируйте оценку собранного прототипа.
Начните с опорного проекта поставщика антенны и пространства, доступного в готовом изделии. Затем одновременно зарезервируйте область излучателя и структуру питания и предусмотрите доступ для измерений. Изменение батареи или корпуса на позднем этапе может повлиять на принятое решение, даже если сама топология антенны не изменилась.
Выбор архитектуры с учётом ограничений изделия
| Архитектура | Когда её стоит рассмотреть | Что необходимо решить до разводки |
|---|---|---|
| Антенна из печатного проводника | На плате достаточно места для выбранной опорной геометрии, а конструкция позволяет выделить необходимое пространство вокруг неё. | Форма излучателя, его положение относительно края платы, правила размещения меди на отдельных слоях, геометрия питания и земли, влияние корпуса. |
| Чип-антенна | Подходящий проект поставщика соответствует доступному пространству на плате и геометрии изделия. | Компонент — лишь часть антенной системы: проверьте заданный рисунок посадочного места, окружающую свободную область, землю, питание и схему согласования. |
| Внешняя антенна | Антенна за пределами основной платы лучше соответствует ограничениям компоновки или размещения. | Крепление антенны, прокладка кабеля, доступ к разъёму и влияние собранного изделия. |
Это отправные точки, а не рейтинг. Меньший размер антенного компонента не обязательно означает меньшую зарезервированную область платы. Аналогично, вынос антенны за пределы платы требует механических решений и решений по прокладке кабеля, которые необходимо учесть в изделии.
Для печатной или чип-антенны выберите опорный проект, достаточно близкий к предполагаемому применению, чтобы можно было оценить его геометрию и материалы. Структура слоёв платы важна не меньше, чем её контур: задокументируйте принятые предпосылки и рассматривайте изменения с учётом требований к конструкции антенны. Более общие решения по структуре слоёв рассмотрены в статье о проектировании структуры слоёв печатной платы.
Разделяйте запретную зону излучателя и опорный проводник линии питания
Одна из наиболее существенных ошибок разводки — воспринимать требование «свободной области антенны» как указание удалить всю медь вокруг всего ВЧ-тракта.
Запретная зона излучателя — это область, в которой выбранная конструкция антенны ограничивает размещение меди, компонентов или других структур. Её размеры могут различаться по слоям. Линия питания, в свою очередь, может требовать определённого опорного проводника и определённого расположения относительно земли антенны. Бездумное удаление этого опорного проводника может изменить структуру линии питания, а не защитить антенну.
Используйте выбранный опорный чертёж, чтобы ответить на следующие вопросы:
- На каких слоях действуют ограничения на размещение меди или компонентов под излучателем и вокруг него?
- Где рядом с линией питания и антенной должна оставаться земляная или опорная медь?
- Как излучатель расположен относительно края платы и остальной геометрии земли?
- Какая схема питания и согласования показана в опорном проекте?
- Какие размеры, материалы или особенности сборки отличаются от планируемого изделия?
Не переносите значение свободного зазора, вырез в земле или номинал согласующего компонента из примера с другой, не связанной с проектом антенной. В Texas Instruments AN043, Infineon AN91445 и Silicon Labs AN1088 описаны конкретные конструкции и особенности разводки; приведённые в них геометрии не являются взаимозаменяемыми правилами для всех антенн.
Требования к области антенны определяются выбранным опорным проектом. Более общие аспекты изготовления рассмотрены в статье о производстве ВЧ-печатных плат.
Проверьте область антенны перед выпуском печатной платы
Используйте базовый чертёж с обозначением ревизии, чтобы проверяющие могли видеть как первоначальный проект, так и все отклонения от него.
| Пункт проверки | Что следует зафиксировать или проверить перед выпуском |
|---|---|
| Запретная зона излучателя | Обозначьте ограниченную область из выбранного опорного проекта и укажите, какие объекты в ней запрещены. |
| Обратный путь линии питания и опорная медь | Покажите, где необходимы опорный проводник линии питания и земля антенны. Проверьте, что свободная область излучателя не привела к удалению меди, необходимой линии питания. |
| Требования для отдельных слоёв | Зафиксируйте ограничения и обязательные элементы для каждого соответствующего слоя меди и компонентов. |
| Корпус, батарея и кабели | Сопоставьте область антенны с установленным положением находящихся рядом частей изделия, включая предполагаемую прокладку кабелей. |
| Место измерения | Определите, где можно получить доступ к линии питания для запланированного измерения прототипа и как это место доступа соотносится с предполагаемой плоскостью калибровки. |
| Базовый опорный чертёж | Укажите источник сведений об антенне, ревизию документа или чертежа, а также соответствующие предположения о геометрии платы и материалах. |
| Задокументированные отклонения | Перечислите отличия от базового проекта, их причины и предложенную проверку проекта или прототипа для каждого из них. |
Эта таблица — инструмент проверки, а не доказательство того, что проект достигнет целевых характеристик. Она позволяет выявить изменения, пока ещё есть время скорректировать разводку или план работы с прототипом.
Гипотетический пример: датчик на 2.4 GHz
В компактном датчике используется опорная конструкция антенны поставщика, размещённая на печатной плате. В первоначальной механической компоновке батарея расположена рядом с документированной областью антенны, но за её пределами. Команда фиксирует ревизию опорного чертежа, ограничения для излучателя на отдельных слоях, опорную медь линии питания и запланированное место измерения линии питания.
Позднее батарею перемещают ближе, чтобы освободить место для другого элемента сборки. Форма печатной антенны не изменилась, но изменилось её окружение в собранном изделии. Команде следует:
- Сопоставить новое положение батареи с документированной свободной областью антенны и предпосылками опорного проекта.
- Зафиксировать перемещение батареи как изменение, требующее проверки антенны, включая любое возникшее отклонение.
- Запланировать оценку прототипа с батареей и корпусом в предполагаемых рабочих положениях, а также в любой полезной для сравнения базовой конфигурации.
Это перемещение может существенно повлиять на антенну, а может и не повлиять. Проверка и предложенное испытание определяют, чему необходимо уделить внимание; сама по себе близость батареи не является результатом измерения.
Предусмотрите доступ для измерений на прототипе
Спланируйте доступ для измерений до выпуска платы. Определите предполагаемое место проверки линии питания, приспособление или соединение, необходимое для доступа к нему, и плоскость калибровки, для которой будет указан результат. Обеспечьте возможность однозначно определить опорную конфигурацию и конфигурацию собранного изделия, чтобы измерения можно было содержательно сравнивать.
Измерение S11 с помощью векторного анализатора цепей (VNA) характеризует отражение в указанной плоскости калибровки. Оно полезно для оценки согласования линии питания и антенны, но само по себе не позволяет установить эффективность излучения, коэффициент усиления, диаграмму направленности, дальность связи или соответствие нормативным требованиям. На результаты могут влиять геометрия земли, материал печатной платы, корпус и измерительное приспособление.
Что делать с первым измерением
Сравните измеренную характеристику во всём предполагаемом рабочем диапазоне с собственными критериями приемки проекта. Для каждого измерения с развёрткой сохраняйте сведения о ревизиях платы и антенны, плоскости калибровки, расположении кабелей, установленных согласующих компонентах и конфигурации корпуса, батареи и кабелей. Это позволит провести содержательное сравнение в дальнейшем.
| Наблюдение на прототипе | Следующий вопрос или действие |
|---|---|
| Характеристика различается для открытой платы и собранного изделия. | Проверьте повторяемость измерительной установки, затем сравните зафиксированные механические конфигурации. Проверьте антенну и согласование в предполагаемой конфигурации собранного изделия. |
| Отражение выходит за пределы целевого значения проекта на части рабочего диапазона. | Проверьте калибровку и сравните реализованные линию питания, землю и согласующую цепь с проектом. Обсудите изменения согласования или разводки с разработчиком антенны и повторите измерение. |
| Отражение соответствует целевому значению проекта, но характеристики беспроводной связи по-прежнему недостаточны. | Одно лишь согласование не показывает, насколько эффективно антенна излучает. Проверьте радиосистему целиком и проведите подходящее испытание по излучению, чтобы исследовать характеристики антенны в конфигурации изделия. |
Эти наблюдения сами по себе не указывают на какую-либо одну причину. В Руководстве по выбору антенны TI рассматриваются калибровка, влияние кабелей, измерения отражения и измерения по радиоканалу для приведённых в нём примеров конструкций.
Испытания по излучению применительно к конкретному изделию и оценка соответствия применимым нормативным требованиям — отдельные виды работ. Измерения и настройка перед выпуском рассмотрены в статье о настройке и подстройке антенны.
Подготовьте комплект для изготовления и прототипирования
Вместе со стандартными файлами для изготовления печатной платы обеспечьте доступность чертежа для проверки антенны и списка отклонений для технического обсуждения. Перед передачей проекта проверьте контур платы, предположения о структуре слоёв и медь в области антенны относительно выбранного опорного проекта. Общие проверки перед изготовлением рассмотрены в рекомендациях DFM по разводке печатных плат.
При запросе прототипа опишите требования, которые необходимо подтвердить, и уточните, что входит в рассчитанный объём работ. Не предполагайте, что расчёт стоимости изготовления включает ВЧ-испытания или настройку антенны.
Запросите расчёт стоимости печатной платы или свяжитесь с APTPCB, чтобы обсудить предоставленные файлы и подтвердить объём работ.
Основные источники
- Texas Instruments, AN043: Малогабаритная антенна на печатной плате для 2.4 GHz, SWRA117D.
- Texas Instruments, AN058: Руководство по выбору антенны, SWRA161B.
- Infineon, AN91445: Рекомендации по проектированию антенн и ВЧ-разводке.
- Silicon Labs, AN1088: Проектирование с использованием инвертированной F-образной антенны на печатной плате для 2.4 GHz.