Как спроектировать коаксиальное зондовое питание для патч-антенны

Реализация патч-антенны на печатной плате требует соединения с другим компонентом или внешним модулем. Это соединение очень часто выполняется в виде микрополосковой линии, возможно, с линией согласования четвертьволновой длины, как, например, в массивах патч-антенн для передовых беспроводных систем. Существует и другой метод, включающий использование SMA или другого коаксиального разъема, но не на том же слое, что и антенна.

Коаксиальное питание патч-антенн предполагает использование патч-антенны с одной стороны печатной платы, в то время как линия питания прокладывается на обратной стороне печатной платы. Соединение между двумя слоями реализуется с помощью переходного отверстия (via). В этой статье будут показаны основные уравнения проектирования для реализации этого метода подключения линии питания, а также простой пример такого модуля.

Коаксиальное подключение к патч-антенне

Подключение коаксиального питания к патч-антенне предполагает размещение патч-антенны и её питающего элемента на двух разных слоях. Обычно мы размещаем патч на верхнем слое, а соединение питающей линии на нижнем слое. Питающая линия затем подключается к печатной плате через вертикальный SMD коаксиальный разъем (например, вертикальный разъем SMA, такой как 73251-1350 от Molex), и внутренний переходник (via) направляет вводимый сигнал к патч-антенне.

Как мы видим выше, координата, где патч-антенна соединяется с переходником, не расположена в центре антенны. Это сделано намеренно, поскольку импеданс антенны варьируется по поверхности патч-антенны. Поэтому мы хотим подключить зонд в месте, где входной импеданс антенны соответствует импедансу коаксиального кабеля/разъема. Для этого нам сначала нужен импеданс антенны на краю антенны, и мы можем использовать его для определения места подключения.

Уравнения дизайна коаксиального питания

Стандартный набор уравнений проектирования для антенн с питанием с конца используется для определения размеров патча, применяемого в этом типе конструкции. После этого можно определить местоположение коаксиального питания. Уравнения для расчета размеров патча и импеданса патч-антенны с краевым питанием можно найти в другой статье (ссылка ниже). Вы также можете использовать наш калькулятор патч-антенн:

• Посмотреть уравнения проектирования патч-антенн и калькулятор

После того как импеданс и длина патча были найдены, их необходимо использовать для определения местоположения внутренней линии питания. Обычно мы используем коаксиальный кабель и разъем с согласованным импедансом (обычно 50 Ом). Это наш целевой импеданс, к которому мы хотели бы согласовать патч-антенну. В некотором месте вдоль направления x (см. ниже) будет определенное место, где импеданс антенны будет 50 Ом. Это место, где будет подключена линия питания.

Part Insights Experience

Access critical supply chain intelligence as you design.

Learn More

Местоположение координаты x находится с помощью приведенного ниже уравнения.

В заключение, процесс проектирования размещения коаксиального зонда прост:

1. Выберите рабочую частоту и стек
2. Используйте частоту и толщину слоя/значение Dk для определения размера антенны
3. Рассчитайте входное сопротивление на краю антенны
4. Используйте приведенное выше уравнение для расчета координаты x местоположения зонда

Как спроектировать стек

Первое изображение выше подразумевает, что единственно допустимый стек для этого типа соединения - это двухслойная плата, где антенна находится на верхнем слое, а земляная плоскость антенны находится на нижнем слое. Хотя вполне можно использовать стандартную двухслойную плату толщиной 62 мила, это не является строгим требованием. Преимущество использования более двух слоев заключается в возможности использования цифровых компонентов и высокоскоростных сигналов на обратной стороне печатной платы, в то время как антенна изолирована на противоположной стороне печатной платы.

Посмотрите на пример стека слоев ниже. В этом стеке мы могли бы разместить GND на L2 и L3, так как это позволило бы размещать и прокладывать сигналы на L4. Когда антенна размещается на L1, толщина под L1 (в данном случае 4 мил) будет использоваться как значение толщины подложки в уравнениях проектирования патч-антенны. При желании можно использовать и больше внутренних слоев.

Создание соединения в CAD-инструментах

Пример ниже использует четырехслойный стек, показанный выше, с SMA-коннектором на L4 и антенной на L1; L2 и L3 являются землей. Для соединения с патч-антенной следует разместить переходное отверстие (виа) прямо из центра SMA-коннектора, и оно должно быть заполнено и закрыто, чтобы SMA можно было припаять к площадке виа.

Component Management Made Easy

Manage your components, get real-time supply chain data, access millions of ready-to-use parts.

Learn More

Такой тип виа будет приемлем до примерно 5 ГГц. Выше этого уровня структура виа потребует оптимизации до целевого импеданса 50 Ом с использованием сквозных виа, что может повлиять на распространение сигнала и режимы внутри патч-антенны. Это связано с тем, что импеданс виа расходится, как я обсуждал в этой статье.

В предстоящей статье и видео я покажу пример модуля, который использует патч-антенну для передачи на высокой частоте, а также набор схем на заднем слое, использующих линию питания через заднюю сторону печатной платы. Я также покажу, как установить стиль переходного отверстия через задний слой, который может обрабатывать гораздо более высокие частоты в предстоящем видео.

Всякий раз, когда вам нужно разместить антенны и спроектировать методы линии питания, вы можете использовать полный набор утилит CAD в Altium Designer^®. Когда вы закончили свой проект, и хотите отправить файлы вашему производителю, платформа Altium 365™ упрощает сотрудничество и обмен проектами.

Мы только начали раскрывать возможности Altium Designer на Altium 365. Начните свою бесплатную пробную версию Altium Designer + Altium 365 сегодня.