So erzielen Sie eine bessere Wireless-Leistung für Mobilgeräte mit kleinen PCBs

Die Nachfrage nach kleineren drahtlosen Geräten wächst, für den Einsatz in Consumer-Anwendungen wie Wearables, medizinischen Geräten und Trackern sowie in industriellen Anwendungen wie Beleuchtung, Sicherheit und Gebäudemanagement. Daraus folgt, dass kleinere elektronische Geräte kleinere PCBs benötigen, was bedeutet, dass die Antennen mit kürzeren Masseflächen arbeiten müssen, und wenn sie batteriebetrieben sind, spielt auch die Leistung eine Rolle – denn das Gerät darf nicht zu viel Strom verbrauchen.

Dies stellt den Produktdesigner vor eine große Herausforderung. Das Enddesign muss zur formellen Netzwerk- und Regierungsgenehmigung eingereicht werden, bevor das neue Produkt in den Trägernetzwerken verwendet werden kann, und das Design wird wahrscheinlich fehlschlagen, wenn die Antenne nicht richtig funktioniert oder das Gerät Funkstörungen durch das wieder abstrahlende Rauschen des Geräts. Daraus folgt, dass es noch schwieriger ist, für ein kleineres Produkt die Zulassung durch den Mobilfunkanbieter zu erhalten, da es schwieriger ist, eine drahtlose Leistung zu erzielen, die gut genug ist, um die Mindestanforderungen für das Senden und Empfangen zu erfüllen. Dies gilt insbesondere für die USA, wo ein Design strenge Kriterien erfüllen muss, um eine Netzwerkzulassung zu erhalten.

Tatsache ist, dass elektrisch kleine Antennen für den Betrieb bei Frequenzen unter 1 GHz idealerweise Masseplattenlängen von 100 mm oder mehr benötigen, um eine gute Leistung und Effizienz zu erzielen. Sollte die Antenneneffizienz sinken, führt dies zu Problemen mit dem Stromverbrauch und der Netzzulassung für das fertige Produkt. Dies bedeutet, dass die Herausforderung für einen Produktdesigner darin besteht, ein Design zu erstellen, bei dem genügend Platz für die Antenne vorhanden ist, um richtig zu funktionieren, und trotzdem alle Komponenten in eine kleinere Leiterplatte passen.

Dies gilt insbesondere für Antennen mit Frequenzen unter 1 GHz, die normalerweise für Produkte wie IoT-Geräte, Produkttracker, Fitnessgeräte und andere ähnliche kleine Geräte verwendet werden.

Eine besondere Herausforderung stellen tragbare Geräte und medizinische Geräte dar, die nahe am menschlichen Körper eingesetzt werden. Der menschliche Körper schränkt HF-Signale ein, daher sollte der Designer berücksichtigen, wie die Antenne abstrahlt, und die Antenne so platzieren, dass der menschliche Körper die Signale nicht behindert.

Tragbare Geräte können so klein wie 50 mm oder sogar noch weniger sein. Und einige von ihnen können mehr als eine Antenne verwenden!

Es gibt mehrere Faktoren, die die Leistung der Antenne in einem kleinen Gerät beeinflussen, und in diesem Artikel werden sie der Reihe nach behandelt. Die erste und wichtigste ist die Groundplane, die in vielen Fällen für die Abstrahlung der Antenne unerlässlich ist. Aber das ist noch nicht alles, der Designer sollte die Antenne richtig platzieren und die anderen Komponenten und deren Position in Bezug auf die Antenne berücksichtigen, um sicherzustellen, dass nichts Rauschen oder Metall im Weg der Antenne liegt. Schließlich kann das Gehäuse des Geräts einen Unterschied machen, und wir werden die wichtigsten zu vermeidenden Materialien skizzieren.

Eingebettete Antennen – wie sie funktionieren

Eine Dipolantenne verwendet zwei Strahler zum Betrieb, aber eine eingebettete Chipantenne hat nur einen. Bei einer eingebetteten Antenne wird eine Oberfläche der PCB zum zweiten Strahler. Dies erklärt, warum die Antenne nicht effizient arbeitet, wenn die Länge der Leiterplatte zu kurz ist.

Die Resonanz einer Antenne hängt direkt mit ihrer Wellenlänge zusammen. Die Antenne muss bei ganzzahligen Vielfachen oder Bruchteilen der Wellenlänge mitschwingen, wobei die kürzeste Resonanzlänge ein Viertel der Wellenlänge beträgt.

Eine Vollwellenantenne bei der Frequenz 916 MHz müsste ungefähr 327 mm lang sein, was für eine eingebettete Antenne nicht praktikabel ist, aber eine Viertelwellenversion ist bei einer Masseebenenlänge von 87,2 mm praktisch. Dies wird über die Kupferspuren und -schichten aufgewickelt, die in einer winzigen oberflächenmontierten Chipantenne verborgen sind.

Antennendesigner umgehen diese Einschränkung, indem sie die Masseebene als die fehlende Hälfte des Halbwellendipols verwenden, sodass eine Viertelwellen-Monopolantenne gegen die Masseebene strahlt. Daher sind die beliebtesten eingebetteten Antennen in kleinen drahtlosen Geräten in der Regel Viertelwellen-Monopolantennen.

Länge der Grundebene

Damit eine eingebettete Antenne effizient arbeitet, muss die Masseebene mindestens ein Viertel der Wellenlänge der Antenne bei ihrer niedrigsten Frequenz betragen. Dementsprechend wird das Design bei niedrigeren Frequenzen viel einfacher, wenn die Massefläche 100 mm oder mehr beträgt.

Die Leistung einer eingebetteten Antenne steht in direktem Zusammenhang mit der Länge ihrer Grundfläche, daher ist es bei kleineren Designs die größte Herausforderung, die richtige Länge der Grundfläche zu gewährleisten.

Abbildung 1 zeigt den Kompromiss zwischen Groundplane-Länge und Antenneneffizienz von 794 MHz links bis 2,69 GHz rechts.

Abbildung 1. (Quelle:Antenova Ltd)

Diese Ergebnisse zeigen deutlich, wie die Antenneneffizienz für kleine Groundplanes bei Frequenzen unter 1 GHz sinkt. Diese Ergebnisse wurden für eine 3G/4G-Chipantenne erhalten, die bei Frequenzen von 791–960 MHz, 1710 – 2170 MHz, 2300 1 400 MHz und 2500 - 2969 MHz arbeitet.

Im Allgemeinen müsste die Massefläche für ein Gerät, das Frequenzen unter 1 GHz verwendet, 100 mm oder mehr betragen. In den USA verwenden die 4G-Frequenzen Bänder von nur 698 MHz oder sogar 617 MHz, wie das B71-Band von T Mobile, das eine Erdungsebene von sogar mehr als 100 mm erfordert.

Positionieren der Antenne auf ihrer Platine

Als nächstes sollten wir die Position der Antenne auf der Platine und ihre Platzierung im Verhältnis zu anderen Komponenten berücksichtigen. Die Antenne sollte im gesamten HF-Layout und PCB-Stack-up an der besten Position platziert werden, damit sie effektiv abstrahlen kann.

Jede einzelne Antenne ist darauf ausgelegt, an wenigen Stellen auf einer Leiterplatte effizient zu arbeiten. Dies ist oft die Ecke oder Kante, aber jede Antenne ist anders, daher ist es wichtig, eine Antenne auszuwählen, die in das Design passt, und sie gemäß den Herstellerempfehlungen für diese Antenne zu platzieren.

Abbildung 2 zeigt, wie die Antenne mit ihrem Freiraum in einem kleinen Gerät wie einem tragbaren Produkt oder einer Uhr platziert wird.

Abbildung 2. (Quelle:Antenova Ltd)

Abbildung 3 zeigt eine geeignete Antennenplatzierung für ein Uhrendesign. Das Design hält den empfohlenen Abstand über und unter dieser Antenne ein, die in Rot angezeigt wird.

Abbildung 3. (Quelle:Antenova Ltd)

Platzieren Sie keine lauten Komponenten wie Akkus oder LCDs in der Nähe des Antennenabschnitts. Antennen sind passive Komponenten, die Energie empfangen und von den verrauschten Komponenten abgestrahltes Rauschen aufnehmen und dieses Rauschen an das Funkgerät übertragen, wodurch das empfangene Signal verschlechtert wird. Die Antenne sollte auch vom menschlichen Körper entfernt platziert werden, um die HF-Leistung zu verbessern. Dies ist der in Abbildung 3 oben blau markierte Abstand.

Die Anordnung der HF-Einspeisung und der Masseanschlüsse sind für die Funktion der Antenne entscheidend. Bei kleinen eingebetteten Antennen in kleinen PCBs können die auf der PCB geätzten Kupferbahnen einen integralen Bestandteil der Antenne bilden, daher sollten Sie die Herstellerspezifikationen oder das Referenzdesign beachten.

Gesamt-HF-Layout und PCB-Stack-up

Sie können die Leistung der Antenne maximieren, indem Sie die Anordnung der HF-Elemente im Design sorgfältig berücksichtigen. Die Kupfer-Masseplatte sollte nicht mit Leiterbahnen zerschnitten oder über mehr als einer Schicht angeordnet werden, dann kann der Masseplatten-Teil der Antenne effektiver abstrahlen.

Es ist wichtig, Komponenten wie LCD oder Batterien vom Antennenbereich im PCB-Layout fernzuhalten, da diese die Abstrahlung der Antenne beeinträchtigen können.

Für Multiband-Frequenzen empfehlen wir ein PCB-Layout mit mindestens vier Schichten.

Abbildung 4 zeigt, wie die obere und untere Schicht Masseflächen bereitstellen, während die digitalen Signale und der Strom, die von der Massefläche entfernt sein müssen, im Raum dazwischen verlaufen.

Abbildung 4. (Quelle:Antenova Ltd)

Antenne auf Leistung einstellen

In Fällen, in denen die Masseebene kürzer als ideal ist, kann ein Designer andere Techniken in Betracht ziehen, um die Leistung einer eingebetteten Antenne zu erhöhen.

Eine Möglichkeit besteht darin, die Antenne auf das jeweilige Einsatzland abzustimmen. Der 4G-Frequenzbereich ist breit und reicht von 698 MHz bis 2690 MHz, aber jede andere Weltregion verwendet nur einen Teil dieses Bandes, und eine Antenne kann nur auf einer Frequenz gleichzeitig betrieben werden. Dies bedeutet, dass ein Produkt, das in einer geografischen Region verwendet werden soll, auf einen schmaleren Abschnitt des Frequenzbands abgestimmt werden kann. Dadurch wird die Leistung der Antenne gesteigert.

Eine andere Technik besteht darin, ein aktives Abstimmungsnetzwerk einzubauen, effektiv einen zusätzlichen HF-Schaltkreis, der dazu beiträgt, die Bandbreitenreduzierung zu überwinden, die durch eine kleinere Masse verursacht wird, bei der die Host-PCB weniger als 75 mm beträgt. Eine PI-Anpassungsschaltung wird in der Nähe des Antennenspeisepunkts hinzugefügt, um die Antenne fein abzustimmen und die Leistung zu steigern. Das Design der Anpassungsschaltung erfordert normalerweise die Unterstützung eines HF-Spezialisten.

Abbildung 5 zeigt eine Anpassungsschaltung auf einer Antennenbewertungsplatine.

Abbildung 5. (Quelle:Antenova Ltd)

Gestaltung der Übertragungsleitung

Sobald das Material für die Leiterplatte ausgewählt wurde und dessen Dicke und Dielektrizitätskonstante bekannt sind, kann eine koplanare Übertragungsleitung unter Verwendung eines der kommerziell erhältlichen Softwarepakete für das Design von HF-Leiterbahnen entworfen werden. Dies verwendet die PCB-Dicke, den Kupferschichtabstand und die Dielektrizitätskonstante des Substrats, um die optimale Breite für die Übertragungsleitung und die entsprechenden Lücken auf beiden Seiten zu berechnen, um eine koplanare Übertragungsleitung von 50 zu erreichen.

Alle Übertragungsleitungen sollten mit einer charakteristischen Impedanz von 50 ausgelegt sein, und die anderen Teile des HF-Systems, wie Transceiver oder Leistungsverstärker, sollten ebenfalls mit einer Impedanz von 50 ausgelegt sein.

Antenova bietet ein kostenloses Berechnungstool für HF-Übertragungsleitungen an, mit dem Designer die Größe der Übertragungsleitung bestimmen können.

Andere Faktoren

Es kann mehr als eine Antenne geben, die auf derselben Leiterplatte mit unterschiedlichen Frequenzen arbeitet, aber in unmittelbarer Nähe platziert ist. Wenn die Antenne ein Nur-Empfangssystem ist, wie beispielsweise ein GPS-Empfänger, könnte sie von einer nahegelegenen Sendeantenne, wie beispielsweise einem 4G-Funkgerät, desensiert werden, wodurch die Genauigkeit des GPS-Systems verringert wird. Es muss darauf geachtet werden, dass diese Antennensysteme entweder durch den physischen Abstand zwischen den Antennen getrennt werden – stellen Sie sicher, dass die Antennen orthogonal zueinander sind – oder indem Sie die Masseplatte einkerben, um die zwischen den Antennen geteilten Masseströme zu entfernen.

Bei Systemen mit mehreren Eingängen und mehreren Ausgängen (MIMO) erfordert das Design mehr als eine Antenne, die relativ zueinander angeordnet werden sollte, damit sie nebeneinander existieren können. Dann können sie an die gleichen Frequenzen angepasst werden. Die Antennen müssen unbedingt so platziert werden, dass die Isolation und die Kreuzkorrelation innerhalb akzeptabler Grenzen liegen. Wie oben erwähnt, muss darauf geachtet werden, die Antenne im Gerät entweder durch den physischen Abstand zwischen den Antennen zu trennen, sicherzustellen, dass die Antennen orthogonal zueinander sind, oder durch Einkerben der Massefläche zwischen den Antennen, um die zwischen den Antennen geteilten Masseströme zu entfernen Antennen.

Abbildung 6 zeigt Näherungskonfigurationen für Diversity.

Abbildung 6. (Quelle:Antenova Ltd)

Abbildung 7 zeigt gegensätzliche Konfigurationen für Vielfalt.

Abbildung 7. (Quelle:Antenova Ltd)

Das Außengehäuse sollte in der Nähe der Antenne kein Metall enthalten, aber bestimmte metallisierte Beschichtungen sind akzeptabel, da sie die Energie nicht effektiv leiten. Metallgegenstände in der Nähe der Antenne können dazu führen, dass sich die Frequenz der Antenne nach unten verschiebt. Es kann auch die Bandbreite reduzieren, mit der die Antenne arbeiten soll. Ein weiteres Problem bei metallischen Objekten in der Nähe der Antenne besteht darin, dass die Metallobjekte das Signal in der Richtung blockieren, in der das Metall platziert wird, wodurch das Gesamtstrahlungsmuster reduziert wird und möglicherweise das Signal so stark verschlechtert wird, dass die Verbindung mit der Basisstation verloren geht.

Schlussfolgerung

Wenn das Produktdesign eine Antenne enthalten soll, insbesondere wenn eine kleine Leiterplatte verwendet wird, empfehlen wir, zuerst die Antenne auszuwählen und diese zuerst auf der Leiterplatte zu platzieren. Dies ist einfacher, als eine Antenne in ein ansonsten fertiges Design zu stecken. Zuerst an die Antenne zu denken ist normalerweise der schnellste Weg, um ein Design zu erreichen, bei dem das HF-Element so funktioniert, wie es sollte.

Dies erhöht die Chance, eine Netzwerkgenehmigung für das Gerät zu erhalten. Die Antenne muss effizient arbeiten, wenn sie zugelassen werden soll, und die Regeln sind streng. AT&T hat jedoch Geräte mit einer Größe von weniger als 107 mm berücksichtigt und die Effizienzschwelle für diese kleineren Geräte gesenkt.