Design für Antennenisolierung in Ihrem drahtlosen System

Jeder, der schon einmal ein altes Mobiltelefon auseinandergenommen hat oder IoT-Geräte entwirft, weiß, dass in diesen Entwürfen mehrere Kommunikationsfähigkeiten vorhanden sind, für die jeweils unterschiedliche Antennen erforderlich sind. Der HF-Designer sollte bereits Vorsichtsmaßnahmen für die Isolierung von Verbindungen treffen, aber die Antennenisolierung ist beim Modellieren und Entwerfen von drahtlosen Systemen genauso wichtig.

Die grundlegendste Technik zur Antennenisolierung erfordert einfach, die Antennen weiter auseinander zu platzieren und das Anpassungsnetzwerk so zu gestalten, dass es eine gewisse Filterung weg von den gewünschten Betriebsfrequenzen bietet. Auf einer echten PCB für ein drahtloses Gerät mit mehreren Kommunikationsprotokollen erfordert die Lösung, weiter zu gehen und den Stackup zu berücksichtigen sowie einige elektromagnetische Bandlückenstrukturen zur Unterdrückung von Interferenzen zu konstruieren.

Arten der Antennenisolierung

Maßnahmen zur Antennenisolierung sollten implementiert werden, wenn mehrere Antennen auf derselben Platine vorhanden sind. Die einfachste Form der Isolierung besteht darin, verschiedene Antennen in unterschiedliche Bereiche der Platine zu trennen, da die von reflektorlosen Antennen emittierte Strahlung mit der Entfernung natürlich abnimmt. Dies wird gefolgt von einer sorgfältigen Abstimmung des Antennenanpassungsnetzwerks, um übermäßigen Gewinn zu verhindern. Isolierung ist reziprok, d.h., sie ist eine Funktion sowohl der Antennengewinne als auch der Übertragung zwischen den beiden Elementen. Ein niedriger Isolationswert zwischen zwei Antennen bedeutet, dass die Antennen die Strahlung der jeweils anderen aufnehmen.

Wenn wir von „Arten“ der Antennenisolierung sprechen, beziehen wir uns eigentlich darauf, wie elektromagnetische Strahlung von einer Antenne von einer anderen Antenne empfangen wird. Wenn eine echte Platine in ihr Gehäuse eingebaut wird, kann die Umgebung für Strahlung ziemlich komplex werden. Die Isolierung muss entworfen werden, um die folgenden Störungsquellen zu unterdrücken:

• Direkte Strahlung: Dies beinhaltet einfach die Reduzierung der Stärke der Strahlung, die von einer Antenne gesendet und von einer anderen Antenne empfangen wird. Dies ist eine Funktion der Richtungsabhängigkeit, der Polarisationsempfindlichkeit und aller Abschirmelemente.
• Gehäuseresonanzen: Ausgesendete Strahlung kann Resonanzen innerhalb eines Gehäuses anregen, was dann zu Interferenzen zwischen verschiedenen Platinenabschnitten aufgrund von Reflexionen und Mehrwegausbreitung führt. Gehäuseresonanzen erscheinen als kleine Spitzen im Strahlungsmuster.
• Wellenleitermodenanregung: Propagierende Parallelplatten-Wellenleitermodi können angeregt werden, wenn eine Antenne angeregt wird und bei bestimmten Frequenzen strahlt. Dieses Problem ist nicht das Ergebnis eines fehlgeplanten Rückkehrpfads; stattdessen ist dies ein Effekt, der aufgrund der Strahlung von einer Antenne auftritt. Ähnlich können Oberflächenwellen durch eine strahlende Antenne angeregt werden, insbesondere planare Antennen, die dann dank des Brechungsindexkontrasts zwischen dem Substrat-Brechungsindex und Luft zu einem anderen Platinenabschnitt geleitet werden können.
• Störkopplung: Störungen aus einem Bereich können als EMI in einen anderen Bereich übertragen werden. Das Problem von EMI zwischen Antennen wird teilweise durch kluge Grundrissplanung gelöst.

Die Antennenisolierung ist ein Maß dafür, wie leicht eine Antenne Strahlung von einer anderen Antenne aufnimmt, was in Bezug auf S12 zwischen den beiden Antennenelementen quantifiziert wird. Typische Isolationsziele sind auf mindestens +20 dB festgelegt, abhängig vom Produkt, und die Isolation kann mit einem Vektor-Netzwerkanalysator gemessen werden. Antennen, die eine Referenzebene teilen, wie z.B. Antennen auf einem Smartphone, können aufgrund von Strömen, die in der Masseebene angeregt werden, eine geringe Isolation aufweisen, was die Effizienz beider Antennen verringern wird.

Isolation gegen direkte Strahlung

Bei der Arbeit mit hochrichtungsabhängigen Antennen, wie Phased-Array-Antennen, gibt es wenig mehr zu tun, als die Antennen so zu platzieren, dass die Hauptkeulen und Nebenkeulen nicht direkt aufeinander gerichtet sind. Ähnlich verhält es sich bei zwei polarisierten Antennen: Die beiden Antennen müssen lediglich so ausgerichtet werden, dass sie elektrisch orthogonal zueinander stehen. Dies ist jedoch bei vielen fortgeschrittenen Mobil-/IoT-Produkten nicht praktikabel.

Im Fall, dass die Strahlung unpolarisiert oder schwach polarisiert ist und die Antennen nahe beieinander liegen, müssen der Gewinn der beiden Antennen und die Anpassungsnetzwerke genau abgestimmt sein, um das richtige Maß an Isolation zu bieten. LC-Anpassungsnetzwerke mit Serien- oder Shunt-Widerständen können eine ausreichende Anpassung an eine Mikrostreifenleitung bei den relevanten Antennenfrequenzen bieten; die durch Anpassungsnetzwerke bereitgestellte Isolation kann ausreichend sein, wenn die zwei Antennenfrequenzen deutlich unterschiedlich sind. Jedoch können bei Hochleistungsstrahlern und bei ausreichend eng beieinander liegenden Antennen zusätzliche Maßnahmen erforderlich sein, um das Maß an Isolation zu erhöhen.

Elektromagnetische Bandlücken (EBG) Strukturen zur Isolation

Auch wenn Sie noch nie von einer elektromagnetischen Bandlücken (EBG) Struktur gehört haben, sind Ihnen wahrscheinlich Via-Zäune bekannt. Ein Via-Zaun ist wahrscheinlich die einfachste Art von EBG-Struktur, die Sie in den meisten HF-Designs antreffen werden, aber Variationen von Via-Zaun-Strukturen können entworfen werden, um breitbandige Isolation zwischen Antennenarrays zu bieten. Diese Strukturen können verwendet werden, um zwei der vier oben aufgeführten Isolationspunkte anzugehen: Unterdrückung von Oberflächenwellen und Unterdrückung von Wellenleitermoden.

Konzeptionell können diese Strukturen elektrostatisch oder mit einem Schaltungsmodell analysiert werden; beide Aspekte liefern ein Verständnis dafür, wie diese Strukturen zur Isolation beitragen. Im Rahmen eines Schaltungsmodells können diese Strukturen als LC-Bandstoppfilter analysiert werden, die bei der Resonanzfrequenz der Struktur eine hohe Impedanz erzeugen. Das Platzieren mehrerer EBG-Strukturen parallel (d.h. in mehreren Schichten) oder in Serie (d.h. nebeneinander auf derselben Schicht) ermöglicht es, die Resonanz und Bandbreite präzise auf gewünschte Werte abzustimmen. Darüber hinaus bildet das Stapeln in Parallelanordnung effektiv einen Filter höherer Ordnung und verengt die Bandbreite der Struktur.

Obwohl EBG-Strukturen mehr Platz auf der Platine beanspruchen als ein Via-Zaun, können sie so gestaltet werden, dass sie eine wesentlich höhere Isolation bieten. Neben der Antennenisolation durch Unterdrückung von Oberflächenwellen und Wellenleitermoden helfen EBG-Strukturen auch, gleichzeitiges Schaltgeräusch (SSN) in einem PDN zu unterdrücken. Dies macht sie besonders nützlich für analoge Komponenten, die mit einer einzelnen Frequenz oder einer kleinen Anzahl von Frequenzen arbeiten, jedoch nicht so nützlich für digitale PDNs. Dies liegt daran, dass, wie bei digitalen Signalen, SSN in einem digitalen PDN über eine breite Bandbreite auftritt. Schauen Sie sich diesen IEEE-Artikel für weitere Informationen über EBG-Strukturen an.

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