Wie man einen koaxialen Sonden-Speisepunkt für eine Patch-Antenne entwirft

Die Implementierung einer Patch-Antenne auf einer Leiterplatte erfordert eine Verbindung zu einer anderen Komponente oder einem externen Modul. Diese Verbindung wird sehr oft als Mikrostreifenleitung ausgeführt, möglicherweise mit einer Viertelwellen-Anpassungsleitung, wie bei Patch-Antennen-Arrays für fortschrittliche drahtlose Systeme. Es gibt eine weitere Methode, die einen SMA- oder anderen Koaxialanschluss beinhaltet, jedoch nicht auf derselben Schicht wie die Antenne.

Koaxial gespeiste Patch-Antennen beinhalten die Verwendung einer Patch-Antenne auf einer Seite der Leiterplatte, während die Speiseleitung auf der Rückseite der Leiterplatte verlegt wird. Die Verbindung zwischen den beiden Schichten wird mit einem Durchkontaktierungsvia realisiert. Dieser Artikel wird die Hauptentwurfsgleichungen für die Implementierung dieser Art von Speiseleitungsmethode zeigen, sowie ein einfaches Beispiel für diesen Typ von Modul.

Koaxialer Anschluss an eine Patch-Antenne

Die koaxiale Einspeisung zu einer Patch-Antenne beinhaltet die Platzierung der Patch-Antenne und ihres Speiseleitungselements auf zwei verschiedenen Schichten. Normalerweise würden wir die Patch auf der obersten Schicht platzieren und die Speiseleitungsverbindung auf der untersten Schicht. Die Speiseleitung würde dann über einen vertikalen SMD-koaxialen Steckverbinder (z.B. einen vertikalen SMA-Steckverbinder wie 73251-1350 von Molex) an die PCB angeschlossen, und ein internes Via würde das eingespeiste Signal zur Patch-Antenne leiten.

Wie wir oben sehen können, befindet sich der Koordinatenpunkt, an dem die Patch-Antenne mit dem Via verbunden wird, nicht in der Mitte der Antenne. Dies ist beabsichtigt, da die Antennenimpedanz über die Oberfläche der Patch-Antenne variiert. Daher wollen wir die Sonde an einem Ort anschließen, an dem die Eingangsimpedanz in die Antenne mit der Koaxialkabel-/Steckverbinderimpedanz übereinstimmt. Um dies zu tun, benötigen wir zunächst die Antennenimpedanz am Rand der Antenne, und wir können diese verwenden, um den Speiseort zu bestimmen.

Koaxiale Speisedesign-Gleichungen

Der Standard-Satz von Entwurfsgleichungen für endgespeiste Patch-Antennen wird verwendet, um die Größe des Patches zu bestimmen, der in dieser Art von Design verwendet wird. Nachdem dies abgeschlossen ist, kann die Koaxial-Einspeiseposition bestimmt werden. Die Entwurfsgleichungen für die Patch-Abmessungen und die Impedanz von randgespeisten Patches finden Sie in einem anderen Artikel (unten verlinkt). Sie können auch unseren Patch-Antennen-Rechner verwenden:

• Entwurfsgleichungen und Rechner für Patch-Antennen anzeigen

Sobald die Patch-Impedanz und -Länge gefunden wurden, müssen diese verwendet werden, um die Position der eingesetzten Speiseleitung zu bestimmen. Normalerweise verwenden wir ein Koaxialkabel und einen Stecker mit angepasster Impedanz (normalerweise 50 Ohm). Dies ist unsere Zielimpedanz, an die wir die Patch-Antenne anpassen möchten. An einer bestimmten Stelle entlang der x-Richtung (siehe unten) gibt es einen speziellen Ort, an dem die Impedanz der Antenne 50 Ohm beträgt. Dies ist der Ort, an dem die Speiseleitung angeschlossen wird.

Die Position der x-Koordinate wird mit der unten gezeigten Gleichung gefunden.

Zusammenfassend ist der Entwurfsprozess für die Platzierung der koaxialen Sonde einfach:

1. Wählen Sie eine Betriebsfrequenz und ein Stackup
2. Verwenden Sie die Frequenz und die Schichtdicke/Dk-Wert, um die Antennengröße zu bestimmen
3. Berechnen Sie die Eingangsimpedanz am Rand für die Antenne
4. Verwenden Sie die obige Gleichung, um die x-Koordinate für die Sondenposition zu berechnen

Wie man das Stackup entwirft

Das erste Bild oben impliziert, dass das einzige zulässige Stackup für diese Art der Verbindung ein 2-Lagen-Board ist, bei dem sich die Antenne auf der oberen Schicht und die Antennen-Massefläche auf der unteren Schicht befindet. Obwohl sicherlich ein 2-Lagen-Standardboard mit 62 Mil Dicke verwendet werden kann, ist dies keine strikte Anforderung. Der Vorteil bei der Verwendung von mehr als zwei Schichten ergibt sich aus der Möglichkeit, digitale Komponenten und Hochgeschwindigkeitssignale auf der Rückseite der PCB zu verwenden, während die Antenne auf der gegenüberliegenden Seite der PCB isoliert ist.

Schauen Sie sich das folgende Stackup-Beispiel an. In diesem Stackup könnten wir GND auf L2 und L3 platzieren, da dies die Platzierung und Verlegung von Signalen auf L4 ermöglichen würde. Wenn die Antenne auf L1 platziert wird, wäre die Dicke unter L1 (in diesem Fall 4 mils) der Wert, der für die Substratdicke in den Patch-Antennen-Designgleichungen verwendet wird. Mehr interne Schichten könnten ebenfalls verwendet werden, wenn gewünscht.

Herstellung der Verbindung in CAD-Tools

Das untenstehende Beispiel verwendet das oben gezeigte 4-Lagen-Stackup, mit einem SMA-Stecker auf L4 und der Antenne auf L1; L2 und L3 sind Masse. Um die Verbindung zur Patch-Antenne herzustellen, sollte ein Via direkt vom Zentrum des SMA-Steckers platziert werden, und es sollte gefüllt + abgedeckt werden, so dass der SMA auf das Via-Pad gelötet werden kann.

Diese Art von Via wird bis zu etwa 5 GHz akzeptabel sein. Über dieses Niveau hinaus muss die Via-Struktur zu einer 50-Ohm-Zielimpedanz mit Stitching-Vias optimiert werden, was die Signalübertragung und -modi im Inneren der Patch-Antenne beeinflussen könnte. Dies liegt daran, dass die Via-Impedanz divergiert, wie ich in diesem Artikel diskutiert habe.

In einem kommenden Artikel und Video werde ich ein Beispielmodul vorstellen, das eine Patch-Antenne für die Übertragung auf hoher Frequenz verwendet, und es wird einen Satz von Schaltungen auf der Rückseite enthalten, die die Speiseleitung durch die Rückseite der Leiterplatte nutzen. Ich werde auch zeigen, wie man einen Via-Stil durch die Rückseite einstellt, der viel höhere Frequenzen im kommenden Video bewältigen kann.

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