Место под… антенну

Часто бывает так, что место под антенну на цифровой печатной плате (ПП) отводится по остаточному принципу – антенна жестко запихивается на оставшееся свободное место. Да и антенна выбирается «как получится», главное – чтобы влезла. В такой ситуации говорить о каких-либо расчетах или согласовании антенны с имеющейся схемой вообще не приходится. Почему так лучше не делать, а подходить к решению «антенной» задачи более серьезно, речь пойдет ниже.

Думаю, интереснее всего рассмотреть описанную выше ситуацию на конкретном примере. Итак, у нас есть спроектированная печатная плата некоего устройства, обменивающегося информацией по радиоканалу в диапазоне частот 2,4…2,48 ГГц. Эта плата как раз тот случай, когда антенна ставилась по остаточному принципу, т.к. основной задачей была минимизация габаритов печатной платы. После изготовления опытных образцов ПП и их монтажа оказалось, что дальность действия радиоканала намного меньше расчетной. При этом проблем в схемотехнике созданной ПП не наблюдалось. Методом исключения пришли к тому, что виновницей сложившейся ситуации может быть антенна.

Из-за малых габаритов ПП (15 мм на 20 мм) поставить на нее коаксиально-микрополосковый переход (КМПП), чтобы подключить антенну напрямую к измерительной технике, не получилось. Поэтому было принято решение – оценить характеристики антенны с использованием специальных САПР. Благо, у нас на кафедре есть такая возможность. Итак, на рисунке 1 представлен 3D вид печатной платы со слоями, влияющими на антенные характеристики печатного излучателя.

Рис. 1

Цифрой 1 обозначена область включения устройства в антенну.
А на следующих рисунках представлены графики характеристик антенны, рассчитанные в симуляторе. Давайте рассмотрим немного поподробнее графики характеристик.
График КСВН ^[1] (рисунок 2) позволяет оценить степень согласования антенны с 50-омной линией (которой, собственно, и подводится сигнал к антенне). Как видно из графика, минимальное значение КСВН=85 (а хотелось бы, чтобы КСВН был не более 2).

Рис.2

О чем это говорит? Это говорит о том, что 95% всей мощности, подводимой к антенне, отражается обратно, в тракт. Таким образом видно, что рассогласованная антенна излучает, в лучшем случае, 5% подводимой мощности, что и приводит к тому, что дальность радиоканала существенно меньше ожидаемой. Почему так происходит?
На рисунке 3 показан график полных комплексных сопротивлений ^[2], из которого видно, что антенна представляет из себя индуктивность и ее волновое сопротивление очень далеко от 50 Ом.

Рис.3

Ну и напоследок, графики диаграммы направленности ^[3] (ДН) в угломестной (рисунок 4) и азимутальной (рисунок 5) плоскостях. Исключительно для того, чтобы потом можно было сравнить разные варианты реализации антенны.

Рис.4

Рис.5

Ну и самый главный вопрос – а что делать? В условиях жесткой экономии места на ПП вариантов немного. Рабочим был признан вариант, когда ПП увеличивается не более, чем на 5 мм по узкой стороне (т.е. новые размеры платы 20 мм на 20 мм). В такой ситуации было принято решение использовать печатный монополь, как наиболее компактный. На рисунке 6 приведена измененная топология с новой антенной.

Рис.6

Теперь все выглядит несколько лучше…
Вот так выглядит КСВН:

Рис.7

Вот диаграмма комплексных сопротивлений (синим цветом показан предыдущий вариант, розовым — новый вариант):

Рис.8

И ДН:

Рис.9 ДН в угломестной плоскости

Рис.10 ДН в азимутальной плоскости

Как видно, новый вариант значительно лучше предыдущего. По краям рабочего диапазона максимальный КСВН=2,7: потери мощности составляют около 20%. Конечно, этот вариант компромиссный между габаритами печатной платы и параметрами антенны, но он 100% рабочий.
К тому же результат может быть еще лучше, если не загибать антенну, а выпрямить ее и пустить вдоль края платы. Например, сделать вот так (см. рисунок 11) и в таком варианте антенну можно разместить вдоль корпуса устройства.

Рис.11

При этом полученные характеристики будут лучше предыдущего варианта и намного лучше варианта исходного (для последнего варианта антенны графики коричневого цвета).

Рис.12

Из графика на рисунке 12 видно, что последний вариант антенны обладает наилучшим КСВН=1,25. Т.е. потери мощности составляют менее 1,5%.

Рис.13

Рис.14 ДН в угломестной плоскости

Рис.15 ДН в азимутальной плоскости

Какой после всего выше изложенного можно сделать вывод? Если бы изначально, при проектировании ПП, была продумана антенна и влияние на нее элементов платы, то можно было бы сэкономить время и деньги, которые были потрачены на нерабочий образец.

Автор:

Источник ^[4]