Porovnání antén: keramické čipové vs. plošný spoj

Víceúčelová zařízení pro komunikaci typu M2M (machine-to-machine) vyžadují dobré bezdrátové spojení, které pracuje v pásmech Zigbee, ISM a mobilních telefonů včetně LTE, které se pohybují v rozmezí 700 až 2500 MHz. Anténa vytvořená jako plošný spoj na desce je většinou uvažována jako první možný typ interface pro tyto aplikace. Dobrou (nebo dokonce lepší) alternativou může ale také být použití keramické antény v podobě čipu.

Účelem antény − plošného spoje je zajistit bezdrátovou komunikaci. Během výroby desky plošných spojů je anténa vyleptána z měděného laminátu na povrchu desky nebo v určitých případech na několika vrstvách vícevrstvé desky. V takovém případě je propojení mezi vrstvami zajištěno via otvory. Napojení antény je realizováno mikropáskem z rádiového modulu.

Použití antény − plošného spoje má několik výhod:

• Výrobní náklady jsou nízké, protože plošný spoj je částí vyráběné desky a současně představuje již osazenou součástku.
• Struktura je velmi jednoduchá a když je na povrchu desky, tak je její profil velmi nízký.
• Optimálně navržená anténa má velkou šířku pásma.
• Je to dobré řešení pro desky optimalizované na požadovanou velikost a provozované ve stabilním prostředí.

Anténa − plošný spoj nefunguje dobře, když:

• Plocha desky je pro anténu malá.
• Objekty na desce jsou příliš blízko antény.
• Anténa přijde do kontaktu nebo je velmi blízko osob, kteří se zařízením pracují.
• Účinnost antény a její vyladění jsou ovlivněny návrhem desky. Proto je potřeba kontrolovat vyladění antény po každé změně na desce.

Anténa − plošný spoj bude dobře fungovat, pokud je kolem ní na desce dostatek volného místa (plochy bez vylité mědi), součástky jsou od ní dostatečně daleko a když prostředí, ve kterém anténa pracuje, není ovlivněno externím rušením. To obecně platí u aplikací, při kterých jsou zařízení poměrně velká (a kde je také velká DPS) a nevyžadují obsluhu.

Obr. 1 Plošný spoj pro anténu v pásmu 2,45 GHz, která zabírá plochu 29,90×5,20 mm. Ekvivalentní anténa s keramickým čipem potřebuje pouze 6,25×4,24 mm. To odpovídá 80% redukci plochy DPS

I když je anténa − plošný spoj velmi tenká, skutečnost, že je vyrobena z materiálu s nízkou dielektrickou konstantou (typická hodnota pro FR4 je kolem 4), způsobuje výrazné snížení účinnosti vlivem blízkosti kovových struktur jako jsou stínění šasi, baterie, displej nebo větší součástky. Anténa se snadno rozladí působením okolního prostředí nebo kontaktem obsluhy.

Anténa − plošný spoj je součástí výroby desky, což umožňuje její rychlé použití v aplikacích s hromadnou výrobou. Celý proces výroby DPS je dosti přesný a spolehlivý. Kvůli citlivosti antény však dokonce i malé změny nebo velmi malé tolerance na desce mohou způsobit neočekávané rozladění středního kmitočtu, které vyústí ve změnu vlastností antény nebo posun kmitočtu. Tyto problémy nejsou často patrné až do konečného testu plně osazené desky. Jelikož je anténa vyrobena s deskou plošných spojů, není zde potřebná flexibilita ani možnost její dodatečné optimalizace. Výsledkem je větší počet nutných změn v návrhu desky, které vyžadují delší čas a způsobují navazující ztráty z prodlení.

Někteří návrháři se pokoušejí kompenzovat tyto nevýhody použitím plošného spoje ve tvaru meandru, aby potřebná plocha antény byla menší. I tak ale anténa − plošný spoj potřebuje kolem sebe volné místo, takže celková plocha je vždy větší než jenom plocha zabraná plošným spojem.

I když v některých aplikacích může být anténa − plošný spoj ekonomicky výhodná, v jiných může být naopak dokonce dražším řešením. V případě, že je potřeba desku kvůli anténě zvětšit, se pak její celková cena zvyšuje.

Keramická anténa v podobě čipu je malý komponent zhotovený z keramického materiálu, který funguje jako anténa. Existuje několik typů keramických antén, které mají svou vlastní charakteristiku, např. monopóly, IFA (inverted F antenna) a PIFA (planar inverted F antenna).

Keramické antény nabízejí následující výhody:

• Jsou to samostatné součástky.
• Mají malé rozměry a různé konfigurace.
• Blízkost k jiným součástkám nezpůsobuje tak velké rozladění.
• Keramika není tolik ovlivněna vnějšími vlivy a lidským faktorem.
• Umožňuje flexibilní ladění a testování.
• Snadná změna v návrhu desky.

Nevýhody použití keramických antén:

• Náklady na pořízení keramické antény mohou být vyšší než u antény z plošného spoje.
• Pro optimální použití je zapotřebí určitých RF znalostí.

Obr. 2 Umístění a vyladění monopólové keramické antény, která může být naladěna na 2,4 GHz nebo 866 MHz a zabírá plochu pouze 6×11 mm

Keramická čipová anténa je samostatná součástka, která je na desku plošných spojů umístěna během osazování SMT součástek. Optimalizovaná anténa zohledňuje charakteristické vlastnosti desky. Optimalizace může jednoduše proběhnout ještě během vývojových prací a specifické vlastnosti antény mohou být podle potřeby upraveny. Když je anténa správně navržena, náklady na vývoj jsou nižší a výrobek může být na trh uveden v kratší době.

Keramické antény mohou být navrženy ve variantě „on-ground“ nebo „offground“, přičemž „on-ground“ antény jsou poněkud štíhlejší. Optimální složení keramického materiálu a vybrané elektrické vlastnosti obvykle závisí na požadovaném kmitočtu nebo kombinaci kmitočtů. Ty mají také vliv na rozměry keramické antény. V případě antény − plošného spoje jsou možnosti jejího vyladění omezeny s ohledem na vlastní desku plošných spojů. U keramické antény se mohou použít přizpůsobovací obvody, volitelné oblasti bez zemnicích ploch nebo i plošný spoj pro hrubé ladění.

Při požadavku na zmenšení rozměrů desky způsobuje použití antény − plošného spoje problém, protože vyžaduje větší plochu. Naopak keramické antény mohou být přizpůsobeny malým rozměrům desky a nabízí více možností pro její návrh. Použitím keramických antén se podstatně eliminují problémy se spolehlivostí a interferencí způsobenou blízkostí jiných součástek nebo vlivem obsluhy. Keramická anténa jako samostatná součástka může plně využít 3D prostor i na malé desce. Vysoce účinná anténa může zabírat pouze malý prostor – např. anténa pro 2,4 GHz měří pouze 3,2×1,6×1,1 mm. Pokud je možné získat na desce více volného místa kolem antény, může být anténa tenčí bez dopadu na účinnost vyzařování, jako v případě, kdy je anténa umístěna na vylitou měděnou plochu. Zmenšení rozměrů antény lze dosáhnout volbou vhodného materiálu podle požadované frekvence a dostupného místa na desce. Ušetřené místo na desce tak může být využito pro jiné součástky. Při použití antény − plošného spoje na vícevrstvé desce se podstatně zvětšují nároky na celkovou plochu desky. Použitím malé keramické antény se nároky na plochu naopak podstatně zmenšují, což umožňuje další zmenšení rozměrů celé desky a její nižší cenu.

V porovnání s anténou − plošným spojem nepodléhá keramická anténa tolik vnějším vlivům. Oddělená keramická anténa také zajišťuje vysokou izolaci mezi více anténami v multisystémech.

Účinnost antény musí být vždy testována v kompletním výrobku použitím aktivního měření OTA (over the air) v komoře. Pokud anténa − plošný spoj neprojde testem, bývá náprava problému nákladná, protože většinou znamená i několik opakovaných úprav desky a opětovných měření. Naproti tomu použití keramické antény umožňuje potřebnou úpravu provést jednoduše, protože se jedná o samostatnou součástku. Výměnou keramické antény za jinou lze změnit její vyladění a výrobek je znovu připraven pro nové testování. To je rychlejší a současně i levnější řešení než u antény − plošného spoje.

Obr. 3 Monopólové keramické antény

Keramické antény se používají již mnoho let. Potřeba vysoce účinných, jednoduše aplikovatelných antén o ně znovu probouzí zájem. V mnoha aplikacích jsou požadavky na zařízení velmi striktní, např. malé rozměry nebo použití více antén při současném zajištění vysoké imunity mezi nimi. V takovém případě nabízejí keramické antény flexibilní řešení, vedou ke snížení nákladů na výrobu zařízení, snižují problémy s interferencí a zajišťují vyšší účinnost antény v porovnání s anténou − plošným spojem.

Více informací o keramických anténách nebo technické podpoře v návrhu keramických antén je na webové stránce www.pulseeng.com./w

http://www.pulseelectronics.com/file.php?id=3721

Jednotlivé části desky

1 – Podpůrná pájecí ploška

2 – Napájecí ploška antény

3 – Pájecí plošky přizpůsobovacích obvodů

4 – Zemnící plocha

5 – Napájecí spoj antény, 50 W

6 – Via otvory kolem zemnící plochy

Převzato z katalogového listu monopólové antény Pulse W3000 (www.pulseeng.com/antennas)