Optimalizácia antény krok za krokom

Návrh a optimalizácia antény nie je jednoduchá úloha. Ak chcete vytvoriť priemyselnú anténu IoT (internetu vecí), môžete použiť ako východiskový bod referenčný návrh. Čo však zmeniť na optimalizáciu návrhu pri implementácii do finálneho výrobku?

Často počujeme, že skúsení vývojári to vedia. Kto sú však skúsení vývojári? Sú to odborníci, ktorí to robia často a už dlhší čas, a za celé tie dlhé obdobia sa učili z neúspechov, ktoré videli alebo sami urobili. Problémom je, že technické normy sa stále rýchlo zlepšujú a mladí inžinieri nemajú čas na chyby. Súčasne sú nútení vyvíjať „správne hneď na prvý raz“, pričom pri stále kratších časoch „uvedenia na trh“. Riešením je softvér EDA, ktorý do určitej miery automatizuje elektronický návrh.

Cieľom tohto priemyselného projektu IoT bolo integrovať do výrobku anténu Bluetooth, aby sa dal odstrániť displej a aby sa zariadenie konfigurovalo aplikáciou v smartfóne. Ide o bežnú úlohu, ktorá sa dá využiť s rôznymi výrobkami.

Hľadali sme na webe a našli sme referenčný návrh Bluetooth od spoločnosti Cypress. Ak si prečítate aj špecifikáciu, dozviete sa, že dizajn je len referenčný a nemal by sa používať vo výrobkoch ako hotový modul. Návrh je určený na práce v laboratóriu, aby ste už pred návrhom vlastnej DPS mohli vyvíjať svoj softvér.

Schému, kusovník a návrh DPS sme mali k dispozícii vo formáte Cadence Allegro a tak sme ich aj použili ako východisko našej optimalizácie. Referenčný dizajn má veľké konektory na pripojenie v laboratóriu.

Projekt sledoval dva ciele: miniaturizáciu a optimalizáciu výkonnosti antény. Miniaturizáciu tvarového riešenia možno dosiahnuť nahradením konektorov pevno-ohybnou DPS. Neovplyvní to však výkonnosť antény? Vykonali sme sériu analýz typu „čo ak“, aby sme pochopili vplyv týchto zmien a navrhli správnu stratégiu dosiahnutia oboch našich cieľov.

Naimportovanie a nastavenie údajov návrhu v aplikácii Microwave Office bolo jednoduché. Konfigurácia portov prebehla automaticky, museli sme zadať niekoľko parametrov veľkosti ôk siete. Zadali sme reálne hodnoty materiálu našej DPS, správnu hrúbku a dielektrickú konštantu (FR-4: štandardný ISOLA HR 370 εr = 4,0).

Pri prvej analýze sme si všímali dĺžku antény MIFA (meandrová invertovaná anténa tvaru F) a sieť impedančného prispôsobenia medzi čipom a štruktúrou antény.

Správnu dĺžku sme stanovili metódou sweep analysis*) na základe straty odrazom pri rôznych dĺžkach antény na požadovanej frekvencii 2,45 GHz.

Ďalšou automatizovanou rozptylovou analýzou veľkého počtu variantov a kombinácií dostupných diskrétnych komponentov z našej knižnice sme zlepšili výkonnosť siete impedančného prispôsobenia pre parametre nášho materiálu DPS, ktorý sa chystáme použiť. Už aj týchto niekoľko analýz by viedlo k zlepšeniu výkonnosti antény o 2 dB. Zatiaľ sme však ešte neskúmali miniaturizáciu.

Miniaturizácia antén je problém, pretože antény potrebujú na svoju činnosť dostatočné uzemnenie (GND). Zmenšením rozmerov dosky sa zmenší základná rovina DPS. Systém uzemnenia tvoria v referenčnom návrhu dve roviny, niekoľko prekovených otvorov a externý kábel pripojený na GND.

Analyzovali sme malú časť DPS, kde sa nachádza anténa a obvody. Takto sme zistili, že uzemnenie v tuhej oblasti by nepostačovalo na fungovanie antény podľa požiadaviek. Preto sa na ohybnej časti DPS musí zabezpečiť dodatočná plocha uzemnenia. Ak by sme implementovali pevnú rovinu na ohybnej časti, simulácia by bola jednoduchá a rýchla. Ak však použijete šrafovanú štruktúru umožňujúcu ohýbanie bez porušenia medi, zväčší sa veľkosť ôk i čas simulácie.

Porovnanie rôznych tvarov a veľkostí roviny však ukázalo, nakoľko by sa dala zjednodušiť štruktúra pre našu analýzu „čo ak“ bez toho, aby sme zväčšili chyby. I tak sa však finálna simulácia musí vždy vykonať čo najpresnejšie.

Ďalšou rozptylovou analýzou sme určovali minimálnu vzdialenosť medzi plastovým krytom výrobku a anténou. V našom prípade sme boli svedkami, že pri vzdialenosti väčšej ako 10 mm už anténa nemení svoje správanie. Ďalšou otázkou bolo, aký veľký vplyv bude mať zmena tvaru ohybnej časti pri navrhovaní rôznych tvarov v 2D alebo skladaní a ohýbaní v 3D. Po potvrdení miesta montáže vo výrobku a určení dĺžky a tvaru ohybnej časti bolo ďalšou otázkou, ako sa bude montovať pevná časť DPS.

Ďalšie rozptylové analýzy umiestnenia skrutiek ukázali, že mechanicky najlepšie umiestnenie skrutky by výkonnosť antény ovplyvňovalo veľmi negatívne. Pri hľadaní alternatívnych možností montáže sme uprednostnilo riešenie so zaistením zacvaknutím. Vyžadovalo by si výrezy v doske plošných spojov.

Vizualizácia prúdovej hustoty na DPS ukázala, že v rohoch výrezov s 90° rohmi alebo montážnymi otvormi budú vysoké prúdové hustoty, čo by spôsobilo problémy s elektromagnetickým rušením. Na minimalizáciu problémov s elektromagnetickým rušením bolo potrebných niekoľko zmien.

Veľkosť sme v konečnom dôsledku dokázali zmenšiť na 53 % pôvodného referenčného návrhu, zväčšila sa šírka pásma a výkonnosť antény na DPS sa zvýšila o 6 dB.

Dospeli sme k záveru, že návrh antény nadobúda pri miniaturizácii kľúčový význam a pozornosť sa musí venovať aj mechanickým montážnym obmedzeniam, ako sú montážne otvory, rozstupy a materiál krytu, ako aj otázkam elektromagnetického rušenia. V závere možno konštatovať, že návrh bol správny už na prvý raz a čas uvedenia na trh sa skrátil v porovnaní s výrobou jedinej dodatočnej úpravy návrhu prototypu.

Viac informácií: www.FlowCAD.com