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.

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.

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.