Jak zaprojektować zasilanie sondą koncentryczną dla anteny panelowej

Implementacja anteny typu patch na PCB wymaga połączenia z innym komponentem lub modułem zewnętrznym. To połączenie bardzo często realizowane jest jako linia mikropaskowa, możliwie z dopasowaniem o długości ćwierć fali, tak jak w układach anten typu patch dla zaawansowanych systemów bezprzewodowych. Istnieje również inna metoda, wykorzystująca złącze SMA lub inne koaksjalne, ale nie na tej samej warstwie co antena.

Anteny typu patch zasilane koaksjalnie wykorzystują antenę typu patch po jednej stronie PCB, podczas gdy linia zasilająca jest prowadzona po drugiej stronie PCB. Połączenie między dwoma warstwami realizowane jest za pomocą przelotki. W tym artykule przedstawione zostaną główne równania projektowe dla implementacji tego typu metody zasilania, jak również prosty przykład tego typu modułu.

Zasilanie koaksjalne anteny typu patch

Zasilanie anteny typu patch przez kabel koncentryczny polega na umieszczeniu anteny patch i jej elementu zasilającego na dwóch różnych warstwach. Zazwyczaj umieszczalibyśmy patch na górnej warstwie, a połączenie linii zasilającej na dolnej warstwie. Linia zasilająca następnie łączyłaby się z PCB za pomocą pionowego złącza koaksjalnego SMD (np. pionowego złącza SMA takiego jak 73251-1350 od Molex), a wewnętrzna przelotka przekazywałaby wstrzyknięty sygnał do anteny patch.

Jak widać powyżej, współrzędna, w której antena patch łączy się z przelotką, nie znajduje się w centrum anteny. Jest to celowe, ponieważ impedancja anteny różni się w zależności od miejsca na powierzchni anteny patch. Dlatego chcemy połączyć sondę w miejscu, gdzie impedancja wejściowa anteny odpowiada impedancji kabla/konektora koaksjalnego. Aby to zrobić, najpierw potrzebujemy impedancji anteny na krawędzi anteny, co pozwoli nam określić miejsce zasilania.

Równania projektowe zasilania koaksjalnego

Standardowy zestaw równań projektowych dla anten typu end-fed patch jest używany do określenia rozmiaru plastrów używanych w tego typu projektach. Po zakończeniu tego etapu można określić lokalizację zasilania koncentrycznego. Aby znaleźć równania projektowe dla wymiarów plastrów i impedancji plastrów z zasilaniem krawędziowym, można zapoznać się z innym artykułem (link poniżej). Możesz również użyć naszego kalkulatora anten patch:

• Zobacz równania projektowe anten patch i kalkulator

Po znalezieniu impedancji i długości plastrów, należy je wykorzystać do określenia lokalizacji wewnętrznej linii zasilającej. Zazwyczaj używamy kabla koncentrycznego i złącza o dopasowanej impedancji (zwykle do 50 omów). Jest to nasza docelowa impedancja, do której chcielibyśmy dopasować antenę patch. W pewnym miejscu wzdłuż kierunku x (patrz poniżej) znajdzie się szczególne miejsce, gdzie impedancja anteny będzie wynosić 50 omów. To jest lokalizacja, w której zostanie podłączona linia zasilająca.

Lokalizacja współrzędnej x jest znaleziona z równaniem pokazanym poniżej.

Podsumowując, proces projektowania umiejscowienia sondy koaksjalnej jest prosty:

1. Wybierz częstotliwość pracy i układ warstw
2. Użyj częstotliwości i grubości warstwy/wartości Dk do określenia rozmiaru anteny
3. Oblicz impedancję wejściową krawędzi dla anteny
4. Użyj powyższego równania do obliczenia współrzędnej x dla miejsca umieszczenia sondy

Jak zaprojektować układ warstw

Pierwszy obraz powyżej sugeruje, że jedynym dozwolonym układem warstw dla tego typu połączenia jest płyta dwuwarstwowa, gdzie antena znajduje się na górnej warstwie, a masa anteny na dolnej warstwie. Chociaż z pewnością można użyć standardowej płyty o grubości 62 mil, nie jest to ścisły wymóg. Korzyść z użycia więcej niż dwóch warstw wynika z możliwości używania komponentów cyfrowych i sygnałów wysokiej prędkości na tylnej stronie PCB, podczas gdy antena jest izolowana po przeciwnej stronie PCB.

Spójrz na poniższy przykład układu warstw. W tym układzie moglibyśmy umieścić GND na L2 i L3, co pozwoliłoby na umieszczenie i trasowanie sygnałów na L4. Gdy antena jest umieszczona na L1, grubość poniżej L1 (w tym przypadku 4 mils) byłaby wartością używaną dla grubości substratu w równaniach projektowych anteny patch. Więcej wewnętrznych warstw również może być użytych, jeśli jest to pożądane.

Nawiązywanie połączenia w narzędziach CAD

Przykład poniżej używa układu 4-warstwowego pokazanego powyżej, z konektorem SMA na L4 i anteną na L1; L2 i L3 to masa. Aby nawiązać połączenie z anteną patch, należy umieścić przelotkę bezpośrednio z centrum konektora SMA, i powinna być ona wypełniona + zakryta, tak aby SMA mogło być przylutowane do padu przelotki.

Ten typ przelotki będzie akceptowalny do około 5 GHz. Powyżej tego poziomu, struktura przelotki będzie musiała być zoptymalizowana do celowego impedancji 50 Ohm z przelotkami zszywającymi, co może wpłynąć na propagację sygnału i tryby wewnątrz anteny patch. Dzieje się tak, ponieważ impedancja przelotki rozbiega się, jak omówiłem w tym artykule.

W nadchodzącym artykule i wideo pokażę przykładowy moduł, który wykorzystuje antenę łatkową do nadawania na wysokiej częstotliwości, a także zawiera zestaw obwodów na dolnej warstwie, które używają linii zasilającej przez tylną stronę PCB. Pokażę również, jak ustawić styl via przez dolną warstwę, który może obsługiwać znacznie wyższe częstotliwości w nadchodzącym wideo.

Zawsze, gdy potrzebujesz umieścić anteny i zaprojektować metody linii zasilających, możesz użyć kompletnego zestawu narzędzi CAD w Altium Designer®. Gdy zakończysz projektowanie i będziesz chciał przekazać pliki swojemu producentowi, platforma Altium 365™ ułatwia współpracę i udostępnianie projektów.

Dotknęliśmy tylko powierzchni możliwości, jakie oferuje Altium Designer na Altium 365. Zacznij swoją darmową próbę Altium Designer + Altium 365 już dziś.