Проектирование изоляции антенны в вашей беспроводной системе

Любой, кто разбирал старый мобильный телефон или занимается проектированием устройств IoT, знает, что в этих устройствах присутствуют множественные возможности связи, каждая из которых требует разных антенн. Разработчик РЧ-систем уже должен принимать меры по изоляции соединений, но изоляция антенн не менее важна при моделировании и проектировании беспроводных систем.

Самая основная техника изоляции антенн просто требует размещения антенн на большем расстоянии друг от друга и проектирования согласующей сети таким образом, чтобы обеспечить некоторый уровень фильтрации вне желаемых рабочих частот. На реальной печатной плате для беспроводного устройства с несколькими протоколами связи решение требует более глубокого рассмотрения, включая анализ стека слоев, а также разработку некоторых структур электромагнитного запрещенного диапазона для подавления помех.

Типы изоляции антенн

Меры по изоляции антенн следует применять, когда на одной плате присутствуют несколько антенн. Самая простая форма изоляции заключается в разделении разных антенн на разные части платы, поскольку излучение, испускаемое антеннами без отражателя, естественным образом уменьшается с расстоянием. За этим следует тщательная настройка согласующей сети антенны для предотвращения избыточного усиления. Изоляция является взаимной, т.е. это функция как усиления антенн, так и передачи между двумя элементами. Низкое значение изоляции между двумя антеннами означает, что антенны перехватывают излучение друг друга.

Когда мы говорим о "типах" изоляции антенн, мы на самом деле имеем в виду, как электромагнитное излучение от одной антенны принимается другой антенной. Когда реальная плата помещается в свой корпус, среда для излучения может стать довольно сложной. Необходимо разработать изоляцию для подавления следующих источников помех:

• Прямое излучение: Это включает в себя просто уменьшение силы излучения, отправляемого одной антенной и принимаемого другой антенной. Это функция направленности, чувствительности к поляризации и любых элементов экранирования.
• Резонансы корпуса: Излучаемое излучение может возбуждать резонансы внутри корпуса, что затем вызывает помехи между различными секциями платы из-за отражений и многолучевого распространения. Резонансы корпуса проявляются в виде маленьких пиков в паттерне излучения.
• Возбуждение режима волновода: Режимы волновода с параллельными плоскостями могут возбуждаться, когда антенна возбуждается и излучает на определенных частотах. Эта проблема не является результатом неправильно спланированного пути возврата; вместо этого это эффект, возникающий из-за излучения от антенны. Аналогично, поверхностные волны могут возбуждаться излучающей антенной, особенно планарными антеннами, которые затем могут быть направлены в другую секцию платы благодаря контрасту показателя преломления между показателем преломления субстрата и воздухом.
• Помехи по связи: Шум из одного участка может распространяться в другой участок как ЭМИ. Проблема с ЭМИ между антеннами частично решается с помощью умного планирования расположения.

Изоляция антенн - это мера того, насколько легко одна антенна будет принимать излучение от другой антенны, что количественно выражается в терминах S12 между двумя элементами антенны. Типичные цели по изоляции устанавливаются как минимум на уровне +20 дБ, в зависимости от продукта, и изоляцию можно измерить с помощью векторного анализатора цепей. Антенны, которые делят общую земляную плоскость, например, антенны в смартфоне, могут иметь низкую изоляцию из-за токов, возбуждаемых в земляной плоскости, что уменьшит эффективность обеих антенн.

Изоляция от прямого излучения

При работе с высоконаправленными антеннами, такими как фазированные решетки, мало что можно сделать, кроме как тщательно разместить антенны так, чтобы основные и боковые лепестки не были направлены непосредственно друг на друга. Аналогично, при работе с двумя поляризованными антеннами, две антенны просто нужно ориентировать так, чтобы они были электрически ортогональны друг другу. Однако это не практично во многих передовых мобильных/IoT продуктах.

В случае, когда излучение неполяризовано или слабо поляризовано, и антенны находятся близко друг к другу, усиление двух антенн и согласующие сети должны быть точно настроены для обеспечения необходимого уровня изоляции. LC согласующие сети с последовательными или шунтирующими резисторами могут обеспечить достаточное согласование с микрополосковой подачей на соответствующих частотах антенн; изоляция, обеспечиваемая согласующими сетями, может быть достаточной, когда частоты двух антенн сильно различаются. Однако при использовании мощных излучателей и достаточно близко расположенных антенн могут потребоваться дополнительные меры для увеличения уровня изоляции.

Структуры с электромагнитной запрещенной зоной (EBG) для изоляции

Даже если вы никогда не слышали о структуре с электромагнитной запрещенной зоной (EBG), вы, вероятно, слышали о заборах из переходных отверстий (via fences). Забор из переходных отверстий, вероятно, является самым простым типом структуры EBG, с которым вы столкнетесь в большинстве RF-проектов, но вариации на тему структур заборов из переходных отверстий могут быть разработаны для обеспечения широкополосной изоляции между массивами антенн. Эти структуры могут использоваться для решения двух из четырех указанных выше пунктов изоляции: подавление поверхностных волн и подавление режимов волновода.

Концептуально, эти структуры могут быть проанализированы с точки зрения электростатики или с использованием модели цепи; оба аспекта предоставляют понимание того, как эти структуры способствуют изоляции. С точки зрения модели цепи, эти структуры могут быть проанализированы как LC полосно-заграждающие фильтры, создающие высокое сопротивление на резонансной частоте для структуры. Размещение нескольких структур EBG параллельно (т.е., в нескольких слоях) или последовательно (т.е., рядом друг с другом на одном слое), позволяет точно настраивать резонанс и ширину полосы на желаемые значения. Более того, параллельное стекирование эффективно формирует фильтр более высокого порядка и сужает полосу пропускания структуры.

Хотя структуры EBG занимают больше места на плате, чем забор из переходных отверстий, они могут быть спроектированы так, чтобы обеспечить значительно более высокую изоляцию. В дополнение к обеспечению изоляции антенн за счет подавления поверхностных волн и волноводных режимов, структуры EBG также помогают подавлять одновременный коммутационный шум (SSN) в PDN. Это делает их весьма полезными для аналоговых компонентов, работающих на одной частоте или небольшом количестве частот, но они не так полезны для цифровых PDN. Это потому, что, как и цифровые сигналы, SSN в цифровом PDN происходит на широкой полосе частот. Ознакомьтесь с этой статьей IEEE для получения дополнительной информации о структурах EBG.

Инструменты проектирования и анализа в Altium Designer® могут помочь вам спроектировать согласующую сеть, проанализировать модели схем для EBG или разместить ваши платы для достаточной изоляции. Инструменты размещения идеально подходят для проектирования EBG на вашей плате, а инструменты симуляции могут помочь вам настроить ваши согласующие сети и проанализировать модели схем для ваших структур изоляции. Altium Designer также включает в себя интегрированный набор инструментов для создания схем, управления компонентами и подготовки документации для вашего производителя.

Теперь вы можете скачать бесплатную пробную версию Altium Designer и узнать больше о лучших в отрасли инструментах для размещения, симуляции и планирования производства. Обратитесь к эксперту Altium сегодня, чтобы узнать больше.