Projektowanie izolacji anteny w systemie bezprzewodowym

Każdy, kto rozebrał starą komórkę lub projektuje urządzenia IoT, wie, że w tych projektach obecne są różne możliwości komunikacji, każda wymagająca innych anten. Projektant RF powinien już podjąć środki ostrożności dotyczące izolacji połączeń, ale izolacja anten jest równie ważna przy modelowaniu i projektowaniu systemów bezprzewodowych.

Najprostsza technika izolacji anten polega po prostu na umieszczeniu anten dalej od siebie i zaprojektowaniu sieci dopasowującej tak, aby zapewnić pewien poziom filtracji z dala od pożądanych częstotliwości pracy. Na rzeczywistej płytce PCB dla urządzenia bezprzewodowego z wieloma protokołami komunikacyjnymi rozwiązanie wymaga dalszego posunięcia i rozważenia układu warstw, a także zaprojektowania pewnych struktur przerwy pasmowej elektromagnetycznej w celu tłumienia zakłóceń.

Typy izolacji anten

Środki izolacji anten powinny być wdrażane, gdy na tej samej płytce obecnych jest wiele anten. Najprostszą formą izolacji jest oddzielenie różnych anten w różne części płytki, ponieważ promieniowanie emitowane przez anteny bezreflektorowe naturalnie maleje wraz z odległością. Następnie dokładnie dostrojona sieć dopasowująca anteny, aby zapobiec nadmiernemu wzmocnieniu. Izolacja jest wzajemna, tzn. jest funkcją zarówno wzmocnienia anten, jak i transmisji między dwoma elementami. Niska wartość izolacji między dwiema antenami oznacza, że anteny odbierają wzajemnie swoje promieniowanie.

Gdy mówimy o "rodzajach" izolacji anten, mamy na myśli sposób, w jaki promieniowanie elektromagnetyczne z jednej anteny jest odbierane przez inną antenę. Gdy rzeczywista płyta jest umieszczona w swojej obudowie, środowisko dla promieniowania może stać się dość skomplikowane. Izolacja musi być zaprojektowana tak, aby tłumić następujące źródła zakłóceń:

• Promieniowanie bezpośrednie: Polega to po prostu na zmniejszeniu siły promieniowania wysyłanego z jednej anteny i odbieranego przez inną antenę. Jest to funkcja kierunkowości, wrażliwości na polaryzację oraz wszelkich elementów ekranujących.
• Rezonanse obudowy: Emitowane promieniowanie może wzbudzać rezonanse wewnątrz obudowy, co następnie powoduje zakłócenia między różnymi sekcjami płyty z powodu odbić i propagacji wielodrogowej. Rezonanse obudowy pojawiają się jako małe szpilki w wzorze promieniowania.
• Wzbudzenie trybu falowodu: Tryby falowodu z równoległymi płaszczyznami mogą być wzbudzane, gdy antena jest wzbudzana i promieniuje na pewnych częstotliwościach. Problem ten nie jest wynikiem źle zaplanowanej ścieżki powrotnej; zamiast tego jest to efekt, który występuje z powodu promieniowania z anteny. Podobnie, fale powierzchniowe mogą być wzbudzane przez promieniującą antenę, szczególnie anteny płaskie, które następnie mogą być kierowane do innej sekcji płyty dzięki kontrastowi indeksu załamania między indeksem załamania podłoża a powietrzem.
• Sprzężenie szumów: Szum z jednej sekcji może propagować się do innej sekcji jako EMI. Problem z EMI między antenami jest częściowo rozwiązany dzięki inteligentnemu planowaniu rozmieszczenia elementów.

Izolacja anten to miara tego, jak łatwo jedna antena może odebrać promieniowanie od innej anteny, co jest kwantyfikowane w terminach S12 między dwoma elementami antenowymi. Typowe cele izolacji są ustalane na poziomie co najmniej +20 dB, w zależności od produktu, a izolację można zmierzyć za pomocą analizatora sieci wektorowej. Anteny, które dzielą wspólną płaszczyznę odniesienia, takie jak anteny w smartfonie, mogą mieć niską izolację z powodu prądów wzbudzanych w płaszczyźnie masy, co zmniejszy efektywność obu anten.

Izolacja Przed Bezpośrednim Promieniowaniem

W przypadku anten o wysokiej kierunkowości, takich jak układy fazowane, niewiele więcej można zrobić, niż tylko starannie umieścić anteny tak, aby główne i boczne płaty nie były skierowane bezpośrednio na siebie. Podobnie, w przypadku dwóch anten spolaryzowanych, wystarczy jedynie ustawić anteny tak, aby były one elektrycznie ortogonalne względem siebie. Jednak nie jest to praktyczne w wielu zaawansowanych produktach mobilnych/IoT.

W przypadku, gdy promieniowanie jest nie spolaryzowane lub słabo spolaryzowane, a anteny znajdują się blisko siebie, wzmocnienie obu anten oraz sieci dopasowujące muszą być precyzyjnie dostrojone, aby zapewnić odpowiedni poziom izolacji. Sieci dopasowujące LC z rezystorami szeregowymi lub równoległymi mogą zapewnić wystarczające dopasowanie do mikropaskowego zasilania przy odpowiednich częstotliwościach anten; izolacja zapewniana przez sieci dopasowujące może być wystarczająca, gdy częstotliwości dwóch anten znacznie się różnią. Jednak przy wysokomocowych radiatorach i wystarczająco blisko rozmieszczonych antenach, mogą być potrzebne dodatkowe środki, aby zwiększyć poziom izolacji.

Struktury pasma zabronionego elektromagnetycznego (EBG) dla izolacji

Nawet jeśli nigdy nie słyszałeś o strukturze pasma zabronionego elektromagnetycznego (EBG), prawdopodobnie słyszałeś o ogrodzeniach z via. Ogrodzenie z via to prawdopodobnie najprostszy typ struktury EBG, z jakim spotkasz się w większości projektów RF, ale wariacje na temat struktur ogrodzeń z via mogą być zaprojektowane, aby zapewnić szerokopasmową izolację między tablicami anten. Te struktury mogą być użyte do adresowania dwóch z czterech punktów izolacji wymienionych powyżej: tłumienie fal powierzchniowych i tłumienie trybów falowodowych.

Koncepcyjnie, te struktury mogą być analizowane elektrostatycznie lub za pomocą modelu obwodowego; oba aspekty dostarczają zrozumienia, jak te struktury wspomagają izolację. W kontekście modelu obwodowego, te struktury mogą być analizowane jako filtry pasmowo-zaporowe LC, produkujące wysoką impedancję na częstotliwości rezonansowej dla struktury. Umieszczanie wielu struktur EBG równolegle (tj. w wielu warstwach) lub szeregowo (tj. obok siebie na tej samej warstwie), pozwala na precyzyjne dostrojenie rezonansu i szerokości pasma do pożądanych wartości. Co więcej, układanie równoległe efektywnie tworzy filtr wyższego rzędu i zawęża pasmo struktury.

Chociaż struktury EBG zajmują więcej miejsca na płytce niż ogrodzenie za pomocą przelotek, mogą być zaprojektowane tak, aby zapewnić znacznie wyższą izolację. Oprócz zapewniania izolacji anten przez tłumienie fal powierzchniowych i trybów falowodowych, struktury EBG pomagają również tłumić jednoczesny szum przełączania (SSN) w PDN. To czyni je dość użytecznymi dla komponentów analogowych pracujących na pojedynczej częstotliwości lub małej liczbie częstotliwości, ale nie są one tak przydatne dla cyfrowych PDN. Wynika to z faktu, że podobnie jak sygnały cyfrowe, SSN w cyfrowym PDN występuje w szerokim paśmie. Zapoznaj się z tym artykułem IEEE aby uzyskać więcej informacji na temat struktur EBG.

Narzędzia do projektowania i analizy w Altium Designer® mogą pomóc Ci zaprojektować sieć dopasowującą, analizować modele obwodów dla EBG lub rozmieścić Twoje płytki dla zapewnienia odpowiedniej izolacji. Narzędzia do układania są idealne do projektowania EBG na Twojej płytce, a narzędzia symulacyjne mogą pomóc Ci dostroić sieci dopasowujące i analizować modele obwodów dla Twoich struktur izolacyjnych. Altium Designer zawiera również zintegrowany zestaw narzędzi do budowania schematów, zarządzania komponentami i przygotowywania materiałów dostarczanych producentowi.

Teraz możesz pobrać darmową wersję próbną Altium Designer i dowiedzieć się więcej o najlepszych w branży narzędziach do układania, symulacji i planowania produkcji. Porozmawiaj z ekspertem Altium już dziś, aby dowiedzieć się więcej.