Плата согласования для антенны. Согласование антенн: эффективные методы и важные аспекты

Что такое согласование антенн. Почему оно необходимо. Как правильно выполнить согласование антенны. На что обратить внимание при размещении антенны в устройстве. Какие инструменты использовать для согласования.

Что такое согласование антенн и почему оно важно

Согласование антенн — это процесс обеспечения максимальной передачи мощности от передатчика к антенне. Основная цель согласования — добиться того, чтобы входной импеданс антенны максимально соответствовал импедансу фидерной линии (обычно 50 Ом).

Правильное согласование антенны критически важно по нескольким причинам:

• Позволяет передать максимум мощности от передатчика к антенне
• Минимизирует отражения сигнала обратно в передатчик
• Увеличивает эффективность антенны
• Расширяет рабочую полосу частот антенны
• Улучшает характеристики диаграммы направленности

Несогласованная антенна может привести к потере до 10-30 дБ мощности сигнала, что существенно снижает дальность действия беспроводной системы.

Факторы, влияющие на согласование антенны

На согласование антенны влияет множество факторов:

• Геометрические размеры и форма антенны
• Материал и диэлектрическая проницаемость подложки
• Близость металлических и диэлектрических объектов
• Корпус устройства
• Рабочая частота
• Ширина рабочей полосы

Особенно сильное влияние оказывают металлические части устройства, расположенные вблизи антенны. Они могут значительно исказить диаграмму направленности и сместить резонансную частоту.

Основные методы согласования антенн

Существует несколько основных методов согласования антенн:

1. Изменение геометрических размеров антенны
2. Использование согласующих цепей из дискретных L и C элементов
3. Применение четвертьволновых трансформаторов
4. Использование согласующих шлейфов
5. Модификация точки питания антенны

Выбор метода зависит от типа антенны, требуемой полосы пропускания, доступного пространства и других факторов. Часто применяется комбинация нескольких методов.

Правильное размещение антенны в устройстве

Размещение антенны в корпусе устройства — критически важный этап, который необходимо учитывать на ранних стадиях проектирования. Основные рекомендации:

• Располагать антенну как можно дальше от металлических частей
• Обеспечить достаточный зазор вокруг антенны
• Учитывать влияние пластиковых частей корпуса
• Рассмотреть возможные положения устройства при эксплуатации
• Использовать экранирование чувствительных цепей

Правильное размещение антенны значительно упрощает последующее согласование и улучшает общие характеристики.

Инструменты для согласования антенн

Для эффективного согласования антенн применяются следующие инструменты:

• Векторный анализатор цепей — для измерения S-параметров
• Программы электромагнитного моделирования (CST, HFSS, Feko)
• Калькуляторы согласующих цепей
• Диаграмма Смита (в бумажном или электронном виде)
• Инструменты для настройки антенн (подрезка, смещение точки питания)

Комбинация измерений и моделирования позволяет быстро и точно согласовать антенну в конкретном устройстве.

Пошаговый процесс согласования антенны

Типовой процесс согласования антенны включает следующие этапы:

1. Измерение исходных параметров антенны (S11, импеданс)
2. Определение требуемых значений (целевой импеданс, КСВ)
3. Выбор топологии согласующей цепи
4. Расчет номиналов компонентов
5. Моделирование согласующей цепи
6. Реализация цепи на плате
7. Измерение результатов
8. Оптимизация (при необходимости)

Процесс обычно итеративный и может потребовать нескольких циклов для достижения оптимального результата.

Типичные ошибки при согласовании антенн

При согласовании антенн часто допускаются следующие ошибки:

• Согласование антенны без учета влияния корпуса
• Использование компонентов с низкой добротностью
• Неправильное подключение измерительного оборудования
• Игнорирование паразитных параметров компонентов
• Чрезмерное усложнение согласующей цепи
• Оптимизация только по одному параметру (например, только по S11)

Избежать этих ошибок поможет тщательное планирование процесса согласования и следование лучшим практикам.

Заключение

Согласование антенн — сложный, но необходимый процесс при разработке беспроводных устройств. Правильное согласование позволяет максимально эффективно использовать антенну и обеспечить наилучшие характеристики системы. Ключевые моменты:

• Учитывать согласование на ранних этапах проектирования
• Правильно размещать антенну в устройстве
• Использовать комбинацию измерений и моделирования
• Применять итеративный подход к оптимизации
• Учитывать все факторы, влияющие на согласование

Следование этим рекомендациям поможет создать эффективную антенную систему и избежать проблем на поздних стадиях разработки.

Платы согласования в категории «Техника и электроника»

Войди и получай выгодные условия доставки

поиск в товарах / по продавцам

• Усилители антенные

• Антенно-мачтовые сооружения

• Телевизионные антенны

• Модули контроля и управления

• Охранные системы и сигнализации

• Дайсеки, усилители, телевизионные разветвители

• Охранные извещатели

• Усилители звука

• Терморегуляторы промышленные

• Пожарные извещатели

• Наборы и компоненты для самостоятельной сборки электроники

• Блоки управления

• Гидроусилитель руля и комплектующие

• Комплектующие электрооборудования

• Домофоны

• Телефоны и аксессуары, общее

• Антенны беспроводных сетей

• Печатные платы

• Кабели для электроники

• Сетевые накопители

Плата согласования ДМВ диапазона F-разъёмом

В наличии

90 грн

Купить

Плата согласования для антенн Eurosky swa-21-69

Готово к отправке

14. 90 грн

Купить

Плата согласования для антенн SWA-69

Готово к отправке

38 грн

Купить

Запорожье

Плата согласования на антенну «ворона»

Готово к отправке

по 85 грн

от 2 продавцов

85 грн

Купить

Т2 антенна Волна 1-11 Цифра с платой согласования

Готово к отправке

440 грн

Купить

Плата согласования на антенну ДМВ 21-69 канал (Украина)

В наличии

45 грн

Купить

Плата согласования Eurosky SWA-69 1-69

В наличии

50 грн

Купить

Черновцы

Плата согласования SWA-69 для антенн цифрового Т2

В наличии

от 55 грн

Купить

Плата согласования (симметризатор) для Т2 антенны (21…69 ДМВ)

Готово к отправке

42 грн

Купить

Одесса

Плата согласования под F на антенны 3G/4G (Украина) (1800 мГц, 2100 мГц, 2400-2600 мГц)

В наличии

по 90 грн

от 2 продавцов

90 грн

Купить

2

3

Вперед

Показано 1 — 29 товаров из 100+

Смотрите также

Плата тв

Плата t2

Корпус для мини-компьютера

Geforce

Материнка

Модуль контроля

Акумулятори пальчикові

Плата для польской антенны

Плата согласования т2

Т2 антенна хвиля 2 24

Хорошая антенна для т2

Hynix ddr3 8gb

Антенна т2 кімнатна

Кімнатна антенна т2

Комнатная антенна t2

Платы согласования со скидкой

Платы согласования оптом

Популярные категории

Техника и электроника

Беспроводная связь

Усилители антенные

Телекоммуникации и связь

Антенно-мачтовые сооружения

TV и видеотехника

Аксессуары для телевизоров и проекторов

Телевизионные антенны

Безопасность и защита

Системы охраны и оповещения

Модули контроля и управления

Дом и сад

Система умный дом

Охранные системы и сигнализации

Насколько вам
удобно на проме?

Согласование антенн

Подписаться на новости

Thank you! Your submission has been received!

Oops! Something went wrong while submitting the form.

Ключевые тезисы

• Согласование антенн осуществляется для того, чтобы обеспечить максимальный уровень мощности, поступающий на антенну и излучаемый ей.
• Согласование антенны заключается в уравнивании ее входного импеданса с импедансом фидерного устройства, которое подключено к ней.
• Как правило используются фильтрующие цепи, так как с помощью них, возможно получить требуемый импеданс в рабочем диапазоне частот антенны.  

Вне зависимости от того, что существует огромное количество типов антенн, различающихся, как по форме, так и по размерам, все они имеют одно общее свойство: для того, чтобы обеспечить нагрузку максимальным уровнем мощности, ее входной импеданс должен быть согласован с фидерной линией, к которой она подключена. Согласующие цепи достаточно просты, они выполняют роль фильтров, обеспечивающих соответствие импеданса фидеры с входным импедансом антенны. Использование фильтров – это самый простой способ согласования антенны или других радиотехнических элементов цепи.

Согласование антенн: определение требований по согласованию импеданса.

Необходимость в согласовании заключается в том, что входной импеданс антенн далеко не всегда равен 50 Ом. Некоторые антенны, например чип-антенна, при изготовлении имеет либо более высокое, либо более низкое значение входного сопротивления. Другие антенны, например патч-антенны может быть достаточно сложно спроектировать точно на 50 Ом целевого входного сопротивления; полосковые линии могут оказаться достаточно широкими, либо же антенна может занимать много места на плате. Поэтому патч-антенна может быть изготовлена с меньшими габаритами, что приводит к изменению входного импеданса.    

Кроме того, антенна и ее согласующая цепь может быть подключена к короткой фидерной линии, таким образом, входной импеданс фидера не является характеристическим сопротивлением линии. Вместо этого, необходимо согласовать входной импеданс с выходным сопротивлением передатчика для того, чтобы минимизировать возвратные потери (S11), как на антенне, так и на фидерном устройстве. Хотя 50-омная оконечная нагрузка часто применяется на устройствах со встроенным радиочастотным приемо-передатчиком, это, однако, не означает, что будет обеспечено идеальное согласование.    

При схемотехническом подходе, существует несколько способов согласования антенны. Цель заключается в том, чтобы гарантировать эквивалентность импедансов антенны с согласующей цепью и фидерным устройством. Стандартные топологии цепей приведены в таблице ниже:  

Стандартные топологии цепей

Цепи, типа последовательного LC фильтра не являются полезными, так как имеют полосу среза. Радиотехнические фильтры высших порядков могут быть успешно использованы, если требуется очень резкий спад, однако эти реализации требуют большего количества элементов. Не имеет значения, какой тип фильтра вы желаете использовать для согласования антенны, в любом случае ее входной импеданс должен соответствовать импедансу фидерной линии. Такая оценка может быть осуществлена SPICE моделированием. Как только требуемое согласование определено, вы можете следовать вверх по цепи до входного порта антенны, чтобы обеспечить последующее согласование.  

Входной импеданс  

После того как антенна и согласующее устройство спроектировано для целевого импеданса фидерной линии, важно определить соответствует ли входное сопротивление 50-ти Ом. Это может быть легко сделано, с помощью коэффициента отражения на входе антенны с подключенным к ней стандартной линией питания по формуле:

Формула расчета коэффициента отражения на входе антенны

Входной импеданс фидерной линии с известной постоянной распространения и заданной длинны. Важно отметить, что антенный импеданс должен быть известным, до вычисления входного импеданса фидерной линии.  

В идеальном случае, эта величина должна быть равно 50 Ом. Возвратные потери S11 можно получить на входе фидерного устройства; стандартная цель при проектировании антенно-фидерного устройства – не более 20 дБ возвратных потерь на входном порту.

Согласование шлейфами

Шлейфы на линиях передачи могут также являться шунтирующими элементами, в точности как емкость или индуктивность. Необходимо просто применить уравнение, приведенное выше для шлейфа, чтобы установить его влияние, как эквивалентного элемента цепи. Использование шлейфов является обычной практикой в пассивных радиотехнических цепях, выполненных на микрополосковых элементах; шлейфы также применяются и при их согласовании. Обратите внимание, что из-за характерных условий распространения электромагнитных полей на отрезке линии передачи, вы можете получить согласование на нескольких частотах с помощью короткозамкнутых шлейфов, или шлейфов холостого хода.

Альтернативные цепи согласования

В этой статье мы рассмотрели согласование импеданса различными фильтрующими цепями, что довольно часто используется при подключении чип-антенн, коаксиальных коннекторов и даже патч-антенн, микрополосковых антенн или щелевых антенн.Методы проектирования схем являются стандартными и очень простыми, они заключаются в применении параметрического свипирования в SPICE моделировании для нахождения входного импеданса и коэффициента отражения от входного порта антенны. Для тех, кто предпочитает не использовать схемотехническое моделирование, существуют альтернативные инструменты для согласования антенн.            

Согласование антенн может быть также реализовано, с помощью диаграммы Смита. Этот графический метод согласования предполагает отслеживание изменения импеданса антенны с согласующей цепью при добавлении L или C элементов последовательно или параллельно. Существует множество руководств по использованию диаграммы Смита, которые доступны онлайн. Начинающим проектировщикам антенн очень рекомендуется познакомиться с этими руководствами перед началом работы с диаграммой Смита. Убедитесь, что запомнили правила последовательного и параллельного подключения L и C элементов на диаграмме (см. ниже).

Правила последовательного и параллельного подключения элементов для достижения целевого импеданса в 50 Ом на диаграмме Смита.

Правила последовательного и параллельного подключения элементов для достижения целевого импеданса в 50 Ом на диаграмме Смита.

Последний неупомянутый способ согласования нестандартных излучателей – это использование электромагнитных решателей. Трехмерное моделирование методом конечных разностей во временной области (FDTD) может помочь установить характеристики излучаемых устройством электромагнитных полей, которые затем могут быть пересчитаны в токи и напряжения на антенне. Более продвинутые решатели могут рассчитывать параметры цепей для таких структур напрямую, что позволяет получать характеристики S11 на входных портах устройства на требуемых частотах. Далее, проектировщики могут использовать эти данные для определения параметров согласующих устройств с применением прочих техник, описанных здесь.    

Использование программного обеспечения Altair Feko позволяет значительно сократить время на разработку и согласование антенн. Тесная интеграция с Optenni Lab предлагает разработчику автоматизировать процесс создания согласующих цепей для согласования антенн. Optenni Lab – это быстрый и удобный инструмент для синтеза цепей согласования и анализа антенн, предназначенный для разработчиков антенно-фидерных устройств.

• Подробнее об Altair Feko: https://www.elm-c.ru/altair-feko
• Подробнее об Optenni Lab: https://www.elm-c.ru/optenni-lab

По вопросам предоставления временных лицензий на программные решения Altair Feko и Optenni Lab тестирования и приобретения, пожалуйста, обращайтесь к специалистам компании ООО «ЭЛМ» по телефону +7(495) 005-51-45 или по электронной почте [email protected].

Согласование антенн внутри корпуса

Опубликовано 2 апреля 2019 г.

Разработка беспроводного продукта может оказаться непростой задачей. Есть много подводных камней, ловушек и распространенных ошибок, в которые люди попадают во время проектирования и разработки. Очень часто реализацию антенны оставляют на «последнее». Дело в том, что антенна делает ваш продукт беспроводным. Это самый важный компонент, который запускает ваш сигнал в космос. Часто мало внимания уделяется местоположению антенны и тому, как на нее может повлиять находящийся поблизости объект.

Это может иметь разрушительные последствия не только для производительности продукта, но и для графика и стоимости.

Конструкция антенны и факторы окружающей среды

Антенна зависит от окружающей среды. Независимо от того, находится ли он на столе, на макетной плате производителя или в продукте, все три сценария приводят к разной производительности. В отличие от большинства компонентов конструкции, которые можно вставить с ожидаемым эффектом в схеме, на антенну влияет все, что ее окружает. Излучаемые электромагнитные поля антенны взаимодействуют с близлежащими материалами и могут изменять частоту ее работы. Антенна должна быть помещена в конечную среду, а импеданс подобран таким образом, чтобы она работала в нужной полосе частот. Плохо согласованная антенна может снизить бюджет канала на 10–30 дБ и значительно сократить дальность действия. Все антенны, будь то стандартные или разработанные в лаборатории, могут потребовать согласования.

Чтобы понять, почему на антенну влияют объекты рядом с ней, необходимо рассмотреть, как антенна излучает. Во-первых, забудьте о том, что происходит с антенной или о том, что находится рядом. Важен входной импеданс антенны. При рассмотрении диполя на рисунке 1 видно, что когда на входы антенны подается потенциал, на его концах накапливается противоположный заряд. По сути, концы диполя можно рассматривать как разомкнутые цепи с высоким напряжением и отсутствием тока. Из-за накопления заряда на обоих концах диполя начинает течь ток. По мере продвижения от конца диполя внутрь к точке питания напряжение падает, а ток возрастает. В точке подачи ток достигает своего пика вместе с некоторым пониженным напряжением. Отношение между напряжением и током в точке питания является входным сопротивлением антенны. Именно импеданс определяет характеристики антенны. Кроме того, поскольку по антенне течет ток, излучаются электромагнитные поля.

Рис. 1: Диаграмма диполя

Импеданс антенны действует как импеданс нагрузки для линии передачи, по которой сигнал передается на антенну. Импеданс антенны определяет напряжение и ток вдоль линии передачи, а также их фазовое соотношение. На линии передачи существует коэффициент стоячей волны (также известный как КСВ). Это соотношение измеряет количество стоячей волны по сравнению с бегущей волной. Грубо говоря, КСВ = 1 означает чистую бегущую волну, а КСВ = ∞ означает чистую стоячую волну. Желателен очень низкий КСВ, поскольку он указывает на то, что большая часть энергии передается на антенну. Высокий КСВ означает, что большая часть энергии отражается обратно в линию передачи и не излучается. Когда антенна согласована с клеммами линии передачи, КСВ низкий. Энергия, которая не передается, а вместо этого отражается обратно на вход антенны, может повлиять на радиочастотную схему, поскольку она должна рассеиваться в другом месте.

Рис. 2: Величина тока и напряжения в линии передачи с разомкнутой цепью

Импеданс антенны зависит от частоты, поскольку распределение тока напрямую связано с длиной волны. Ток и напряжение на диполе имеют синусоидальное распределение, так как расстояние от конца диполя до точки питания изменяется на доли длины волны, то же самое происходит и с импедансом.

Полное сопротивление антенны должно поддерживаться как можно ближе к полному сопротивлению линии трассировки, питающей ее. В большинстве систем к антенне идет дорожка 50 Ом. Поскольку импеданс антенны меняется с частотой, существует лишь ограниченный диапазон, который можно согласовать с линией трассы для эффективной передачи мощности. Процесс согласования вашей антенны в диапазоне частот с линией трассировки называется «настройкой» или «согласованием» антенны. Качество согласования характеризуется КСВ, а полоса пропускания относится к диапазону частот, в котором импеданс антенны близок к 50 Ом для данного КСВ.

Когда антенна помещена в корпус, электромагнитные поля взаимодействуют с окружающими материалами. В результате поля развиваются иначе, чем в свободном пространстве. Это взаимодействие в конечном итоге изменяет распределение тока на антенне и, следовательно, ее импеданс. Вот почему антенна должна быть настроена в ее окончательном корпусе. Импеданс антенны будет меняться в зависимости от близости, электрических свойств и размера окружающих материалов. Конструкция антенны может быть испорчена, если она не настроена должным образом во время реализации.

Настройка РЧ-антенны

Антенны можно настроить одним из двух способов. Либо путем корректировки размеров, либо с помощью соответствующей сети, обычно состоящей из дискретных компонентов. Обычно изменение физических размеров невозможно, поэтому дискретная сеть размещается непосредственно перед входом антенны. Проблема с настройкой антенны заключается в том, что на ее импеданс влияют близлежащие материалы. Если вы настроите антенну на 2,4 ГГц на своем стенде, а затем поместите ее в корпус, настроенная частота сместится. Рисунок 3 ниже демонстрирует этот эффект. Красная линия — антенна в свободном пространстве, непревзойденная. Зеленая линия представляет собой ту же антенну, которая теперь находится в свободном пространстве. А синяя линия — это окончательный отклик антенны, помещенной в корпус. Поскольку антенна не была настроена в корпусе, импеданс не соответствует 50-омной линии трассировки печатной платы на интересующей частоте.

Антенна должна быть настроена в корпусе, чтобы учесть изменения импеданса. Это верно для всех антенн, включая микросхемы и другие готовые антенны.

Рис. 3. Сдвиг частоты антенны из-за несоответствия

При выборе места для антенны в вашем изделии ответьте на следующие вопросы:

1. Из чего сделан корпус?
2. Что будет рядом с антенной?
3. Есть ли поблизости металл?
4. Как будет использоваться устройство?

Материал, из которого сделан ваш корпус, сильно влияет на его настройку. Металл чрезвычайно вреден для работы антенны, потому что он является проводником. Даже краски с очень низким процентным содержанием металла окажут значительное влияние. Держите все металлические предметы (включая печатные платы) как можно дальше от антенны. Электромагнитные поля создают токи на металлических предметах, что превращает их в маленькие излучатели. Это не только повредит согласованию, но и значительно уменьшит диаграмму направленности антенны.

Кроме того, необходимо также учитывать конечное использование продукта. Не будет ли антенна прикрыта рукой? Будет ли изделие крепиться на металлическую стену? Все это может повлиять на настройку.

Когда дело доходит до настройки антенны для корпуса, необходимо учитывать множество соображений. Процесс настройки антенны сложен и занимает много времени. Во многих случаях поблизости находятся другие печатные платы, материалы корпуса, аккумуляторы, экраны дисплеев, металлические скобы и различные другие вредные предметы. Все это влияет на настройку и должно присутствовать. Расположение антенны должно быть одним из первых вопросов при разработке нового продукта; но часто это последний компонент, который нужно доработать.

Рис. 4. Антенна, встроенная в продукт, разработанная в CST Microwave Studio в компании Laird Connectivity

Наиболее эффективным методом прогнозирования проблем с настройкой антенны и излучением является использование программного обеспечения для моделирования для оценки и прогнозирования влияния ограждения. Разработчик антенны должен идентифицировать материалы в изделии, определить их электрические свойства и понять, как антенна будет с ними взаимодействовать. Хорошо спроектированная и смоделированная антенна обычно не требует согласующей сети; однако он будет правильно настроен только для конкретного продукта, для которого он был разработан.

Выбор и размещение антенны

Выбор и размещение антенны может быть сложной задачей, и проблемы с реализацией антенны не заканчиваются после ее размещения на плате. Как обсуждалось ранее в статье, корпус влияет на согласование антенны. Процесс согласования антенны может быть очень сложным процессом. Требуется не только глубокое знание принципов и компонентов РЧ, но и правильная техника и понимание свойств антенны. Любая ошибка, внесенная в измерение при согласовании с антенной, в конечном итоге снизит эффективность антенны и ее рабочие характеристики. По этой причине к настройке измерений следует подходить так же внимательно, как и к самому фактическому процессу согласования.

Наиболее важными факторами при настройке антенны являются правильное подключение к печатной плате, калибровка и расширение портов анализатора цепей, а также знание соотношения антенны и плоскости заземления. Эти три фактора необходимо учитывать при попытке настроить антенну для корпуса, и они будут рассмотрены в этой статье. Настроить антенну не так просто, как просто подключить ее к сетевому анализатору и отследить импеданс по диаграмме Смита. Без правильного выполнения небольших шагов легко внести ошибку в измерение и неправильно согласовать антенну.

Перед началом сопоставления необходимо установить правильное соединение с платой. Обычно существует два способа подключения к печатной плате для согласования с антенной. Первый использует разъем U.FL. Это включает в себя поиск места, достаточно большого для размещения разъема, и места, обеспечивающего хорошее заземление. Для этого метода часто трудно найти достаточно места рядом с антенной; кроме того, необходимо позаботиться о том, чтобы не создавать дополнительных паразитных эффектов. U.FL обычно эффективен для настройки только в том случае, если печатная плата была разработана со специальными контактными площадками для размещения U.FL. Второй, более распространенный метод — снять изоляцию с тонкого коаксиального кабеля и припаять его непосредственно к трассировочной линии. Это требует меньше места на печатной плате и является более гибким, чем размещение U.FL на плате.

При пайке коаксиального кабеля к печатной плате внутренний проводник необходимо припаять к началу дорожки, а внешний экран хорошо припаять к земле. Иногда не удается припаять к началу дорожки (см. рис. 5). Это приведет к неточному измерению импеданса антенны. Радиочастотный сигнал распространяется по обоим концам трассы одновременно. Сигнал достигает конца шлейфа, отражается обратно и создает помехи в точке пайки, что приводит к ложным показаниям импеданса. Чтобы устранить эту проблему, дорожка за точкой пайки была обрезана. Радиочастотный сигнал теперь будет распространяться по кабелю и только к антенне. Точно так же, как показано на третьем изображении на Рисунке 5, убедитесь, что после точки пайки нет лишней длины линии трассировки. Это приведет к той же проблеме с отражениями.

Рис. 5. Припайка кабеля к трассе антенны

Небольшие печатные платы могут быть особенно трудны для настройки из-за размера их заземления. Это распространенная проблема с чип-антеннами, поскольку они размещаются на очень маленьких платах. При небольшом заземляющем слое внешний проводник коаксиального кабеля может выступать в качестве заземления антенны. Это заставляет токи течь по внешнему проводнику кабеля. В результате кабель фактически становится частью антенны и излучает. Простой способ проверить это — прикоснуться к коаксиальному кабелю. Если значение S11 на анализаторе цепей значительно смещается, это указывает на проблему. Это можно исправить, убедившись, что кабель хорошо подключен к земле. Если это все еще не решает проблему, могут помочь другие методы, включая добавление феррита или другую прокладку коаксиального кабеля.

Рисунок 6: Антенна Trace F

После того, как кабель правильно подключен к трассе антенны, необходимо откалибровать сетевой анализатор. Антенна на рисунках 5 и 6 представляет собой трассу F. Этот тип предназначен для настройки без согласующих компонентов. Фа была намеренно создана слишком длинной и, следовательно, имеет слишком низкую частоту. Преимущество этого заключается в том, что инженер может медленно обрезать конец антенны и увеличивать резонансную частоту. Этот метод можно использовать для настройки трассирующей антенны в ее окончательном корпусе. Таблица 1 ниже документирует обрезку и настройку F-антенны выше. Желаемая полоса частот — 2,4 ГГц. Это самая простая форма настройки антенны. Размеры физически изменяются, что приводит к изменению импеданса антенны и, следовательно, нагрузки на линию передачи, доставляющую РЧ-сигнал.

Этот пример антенны F следа был разработан Laird Connectivity. Габаритные размеры ширины подачи, ширины трассы, высоты и местоположения подачи были определены путем моделирования. Заключительный этап настройки путем обрезки общей длины можно выполнить на стенде, но оптимизацию размеров антенны с точки зрения полосы пропускания и обратных потерь должен выполнять опытный разработчик антенн.

Рисунок 7: Настройка антенны трассировки

Хотя в предыдущем примере использовалось измерение S11 на анализаторе цепей, чаще всего инженеру приходится согласовывать антенну с помощью дискретной сети катушек индуктивности и конденсаторов. Антенны, купленные «с полки», потребуют согласования, размеры антенны не могут быть изменены, как в приведенном выше примере F. Чтобы согласовать антенну с компонентами, необходимо глубокое знание диаграммы Смита, чтобы правильно определить согласующую сеть.

При использовании согласующих компонентов коаксиальный кабель для измерения следует припаивать перед согласующей сетью. В примере с антенной F, поскольку она настраивалась без компонентов, коаксиальный кабель должен был быть напрямую подключен к фидеру. Как показано ниже на рис. 8 и рис. 9, теперь кабель расположен перед соответствующей сетью. В дополнение к правильному размещению кабеля необходима функция расширения порта сетевого анализатора. Поскольку для определения импеданса антенны будет использоваться диаграмма Смита, базовая плоскость для измерения должна быть правильно установлена. Так как кабель припаян прямо к плате, вы не сможете откалибровать его до конца. Удлинитель порта должен применяться для учета изменения фазы дополнительной длины кабеля, не включенной в калибровку. Это, по существу, переместит калибровочную плоскость за кабель к концу дорожки. Если этого не сделать, измерения импеданса на диаграмме Смита будут неверными.

Рис. 8. Вид согласующих контактных площадок и кабеля под микроскопом

При правильной настройке расширения порта необходимо измерить импеданс антенны, чтобы теперь можно было спроектировать согласующую сеть. Короткое замыкание ВЧ следует использовать для устранения разрыва в линиях трассировки. Однако любой компонент, используемый для перекрытия зазора, по своей сути добавит к измерению некоторую собственную емкость или индуктивность. На частотах ниже 1 ГГц можно использовать перемычку 0 Ом в качестве короткого замыкания. Однако на более высоких частотах перемычка 0 Ом становится индуктивной и вносит погрешность в измерения. Это особенно верно для всего, что выше 1 ГГц. Лучше всего использовать для преодоления разрыва конденсатор, который имеет резонанс вблизи вашей рабочей частоты. Это устранит большую часть его индуктивных или емкостных качеств. Например, конденсатор Murata GRM 0402 емкостью 8,2 пФ имеет резонанс примерно на частоте 2,4 ГГц. Хотя это не идеальное короткое замыкание, оно намного лучше, чем перемычка на 0 Ом или капля припоя. Оба последних варианта будут индуктивными на более высоких частотах. Кроме того, резонансная частота конденсатора будет варьироваться в зависимости от производителя. Конденсатор Johanson 0402 L-серии емкостью 10 пФ обеспечивает хорошее короткое замыкание на частоте 2,4 ГГц. Обязательно хорошо разбирайтесь в используемых компонентах.

Рисунок 9: Антенная плата Puck

Еще одним ключевым компонентом, который существенно влияет на настройку, а также на характеристики излучения антенны, является плоскость заземления. Многие антенны, особенно дорожки и микросхемы, зависят от формы и размера заземляющего слоя PC B. Чип (или дорожка) — это только половина антенны, другая половина — это плоскость заземления. Вспоминая дипольную диаграмму и распределение тока, приведенные ранее в статье, на антенне накапливаются положительные и отрицательные заряды. Это накопление заряда, в конечном счете, и вызывает протекание тока. Аналогичным образом заряд накапливается на трассирующей антенне и на соответствующей заземляющей пластине. Из-за этого заряда на антенне протекает ток, но, поскольку заземляющий слой теперь частично отвечает за накопление заряда, он также будет напрямую влиять на распределение тока и, в конечном итоге, на импеданс и излучение антенны.

Производители микросхем-антенн обычно дают рекомендуемые схемы согласования, но они действительны только в том случае, если печатная плата имеет тот же размер, что и печатная плата, с которой тестировался производитель. Кроме того, тестирование на заводе-изготовителе должно было проводиться в свободном пространстве, поскольку использование микросхемы антенны в корпусе требует ее повторной настройки. По сути, рекомендуемая согласующая схема непригодна для большинства реализаций, и антенну необходимо перенастроить. Кроме того, ориентация чип-антенны по отношению к плоскости заземления влияет на настройку и производительность. В техническом описании чип-антенны будет указана ориентация и запрещенная зона. За этим следует следить как можно тщательнее!

Ключом к успешному согласованию антенны является обеспечение точности измерений. Хорошее заземление коаксиального экрана, правильное расположение пайки на линии питания и знание вашего компонента очень важны. Небольшие неточности могут легко привести к тому, что инженер спроектирует неправильную схему согласования для антенны. В этой статье рассмотрены некоторые распространенные ошибки, но в целом хорошее понимание принципов работы радиочастот — лучший инструмент для согласования антенны.

Автор Джонни Лиенау

Джонни — инженер по ВЧ/ЭМС в LSR. Джонни окончил Университет Маркетта со степенью BSEE в 2008 г. и MSEE в 2009 г. У него есть опыт разработки небольших нестандартных антенн для диапазонов 433 МГц, 900 МГц, 2,4 ГГц, 5,9 ГГц и GSM. В дополнение к антеннам; Джонни работал в составе группы разработчиков беспроводных радиомодулей 900 МГц и 2,4 ГГц (включая модули WiFi и Bluetooth). Он также разработал программное обеспечение для прогнозирования диапазона для маломощных беспроводных устройств малого радиуса действия. Как инженер по соблюдению требований, Джонни имеет опыт проведения испытаний в соответствии со стандартами FCC Part 15 и Industry Canada.

Подпишитесь на еженедельный дайджест ресурсов Laird Connectivity Resources

Введите адрес электронной почты, чтобы получать еженедельные новости о наших последних новостях, сообщениях в блогах, официальных документах, историях успеха и многом другом!

Согласование антенн от эксперта Würth Elektronik

Ассортимент нашей продукции включает в себя необходимые радиомодули, радиочастотные компоненты и разъемы , необходимые для сборки беспроводного интерфейса.

В дополнение к антеннам WE-MCA мы предлагаем нашим клиентам услугу по поддержке разработки антенн. Сервис обеспечивает поддержку выбора, размещения и сопоставления антенн. Мы с нетерпением ждем ответа от вас!

Наш процесс обеспечивает прозрачную интеграцию в план вашего проекта. Если у вас есть какие-либо вопросы о процессе или общие вопросы о согласовании антенн, наш сервис также доступен для вас.

 

1. Свяжитесь с нами через контактную форму онлайн.

2. Мы просматриваем вашу информацию.

3. Предоставьте нам следующие данные для анализа:

• Антенна: код заказа, требуемый диапазон частот, требуемый диапазон передачи
• Печатная плата: спецификация, принципиальная схема, компоновка, структура слоев, материал
• Применение: Функция, область применения, информация о корпусе

4. Мы анализируем ваши данные.

5. Отправьте нам следующие материалы для согласования антенн:

• Полное приложение с корпусом и батареей/аккумулятором
• Две полностью собранные печатные платы, на которых размещается антенна

6. Мы подберем вашу антенну.

7. Ваш материал будет возвращен.

 

Примечание: 

Обратите внимание, что отправленные вами устройства необходимо манипулировать для согласования антенн. Манипуляции заключаются в проделывании отверстий или прорезей в корпусе и припайке кабеля антенного фидера на печатной плате. Линия питания антенны на представленной печатной плате обрезана, поэтому антенна больше не может управляться устройством.

Наши услуги варьируются от выбора антенны до документирования реализованной согласованной антенны:

• Выбор антенны
• Размещение антенны
• Выбор схемы согласования для антенны с ВЧ-индукторами и -конденсаторами
• Измерение параметров антенны S11: возвратных потерь (RL), коэффициента стоячей волны по напряжению (КСВН) и эффективности RL
• Антенные имитационные модели

Примечания являются основой для реализации наших антенн в приложении:

• Учитывайте рекомендуемую компоновку антенны из паспорта антенны
• Примите во внимание рекомендуемую схему согласующей цепи из паспорта антенны
.