Проектирование и оптимизация параметров антенны заметно упрощается если использовать в качестве отправной точки эталонный проект. Но даже самый лучший дизайн не поможет в оптимизации проекта для профессионального устройства.
Считается, что опытный инженер всегда создаст правильную конструкцию. При этом забывается как приобретали этот опыт конструкторы, достигшие высокой степени мастерства. Их профессиональное развитие заключалось во множестве неудач, длительном анализе допущенных ошибок. В быстро меняющемся мире технологий новые стандарты и требования меняются так быстро, что все меньше сотрудников успевают идти по такому пути саморазвития, имеют возможность совершать ошибки и чему-то на них учиться. Требования и реалии рынка таковы, что нужно проектировать правильно с первого раза, чтобы вывести продукт на рынок в кратчайшие сроки. Решением этих проблем является современное программное обеспечение EDA, в котором проектирование электроники во многом автоматизировано.
Для иллюстрации процесса оптимизации используем IIoT-проект, в котором надо интегрировать плату контроллера с готовым на печатной плате антенным модулем для Bluetooth. Для наглядности убраны ненужные разъемы, дисплей и возможность настройки конфигурации устройства с помощью приложения на смартфоне.
В Интернете находим эталонный дизайн Bluetooth-модуля от Cypress. В документации указано, что она предназначена только для образовательных целей и не должна рассматриваться как версия для использования в реальных устройствах. Это прототип для быстрой разработки программного обеспечения перед созданием своей печатной платы.
Оригинальная конструкция эталонной платы имеет крупные разъемы, предназначенные для удобного подключения измерительного оборудования. Поскольку целью была миниатюризация и оптимизация характеристик антенны, первый критерий мог быть достигнут путем замены разъемов на жестко-гибкий текстолит печатной платы. Но влияет ли это на работу антенны? Мы провели серию тестов, чтобы понять влияние этих изменений и разработать соответствующие действия для достижения обеих целей.
Импортировать и настраивать проектные данные в AWR Microwave Office не сложно. Порты, необходимые для размещения сил, были настроены и размещены на печатной плате автоматически. Введены фактические значения характеристик производимых материалов печатных плат с соответствующей толщиной и диэлектрической проницаемостью (FR-4 Isola HR 370).
- В первом анализе рассмотрели длину антенны MIFA (меандрированная инвертированная F-антенна) и схему, которая соответствует сопротивлению радиочастотного выхода антенны. Анализ, заключающийся в развертке частоты с другим набором параметров, позволил найти подходящую длину антенны для рабочей частоты 2,45 ГГц. Следует отметить, что исходная геометрия антенны, использованная в эталонном проекте, не гарантировала резонанс на необходимой частоте. Результаты развертки представлены на рисунке.
- Другой автоматический анализ с изменением параметров компонентов сети, соответствующих сопротивлению антенны выходному сигналу усилителя мощности, улучшил его производительность. Только эти два анализа (регулировка длины антенны и правильное согласование) позволяют увеличить усиление на 2 дБ.
Миниатюризация антенн, выполненных на печатных платах, является серьезной проблемой, поскольку для их работы требуется достаточно большая площадь поверхности массы в качестве противовеса. Если уменьшим поверхность печатной платы, например, удалив крупные разъемы, общая масса поверхности также уменьшится. В эталонном проекте противовес состоит из двух слоев печатной платы, а также нескольких переходных отверстий и экрана соединительного кабеля.
Удалив из конструкции ненужные разъемы и заменив их гибким текстолитом, мы проанализировали печатную плату, содержащую только собственно антенну и часть управления. В результате обнаружили, что поля земли в районе миниатюрной платы недостаточны для правильной работы антенны. Поэтому необходимо предусмотреть дополнительную поверхность заземления на гибкой части соединительной платы. Ввиду требуемой механической прочности мозаичная конструкция гибкого контура должна быть выполнена в виде сетки, что исключает возможность образования трещин.
Полное моделирование такой конструкции занимает очень много времени, поэтому в целях тестирования заменим ферму полным медным слоем, упростив таким образом геометрию и добившись значительного сокращения времени моделирования с 4 часов до 20 минут.
Сравнивая результаты моделирования с упрощенной массовой конструкцией и заданной в виде фермы заметим, что они практически идентичны. Конечно это не всегда так, и нужно проверять. Но анализировать такие случаи стоит, поскольку упрощенная структура позволяет выполнить множество симуляций с разными параметрами за гораздо более короткое время. После внесения окончательных корректировок необходимо выполнить моделирование конструкций в полном разрешении без упрощения геометрии.
В следующем анализе смоделировали влияние расстояния размещения платы с антенной от пластикового корпуса устройства. На расстоянии 10 мм и более антенна не меняет своих свойств и работает корректно (это так называемая работа в дальней зоне). Но меньшие расстояния установки от стенок корпуса или даже размещение антенны путем приклеивания ее непосредственно к стенке приводит к значительному ухудшению характеристик антенны (стенка корпуса находится в ближней зоне).
Следующий анализ касался возможности формирования антенны и изгибов гибкой части печатной платы и оценки влияния изменения формы гибкой части на характеристики излучения. Конструкции форм были выполнены в 2D, а изгибы смоделированы в 3D.
После определения места крепления в устройстве и определения длины и формы гибкой части следующим открытым вопросом было то, как будет крепиться жесткий элемент печатной платы, при условии, что расстояние от корпуса должно быть не менее 10 мм.
Моделирование сборки с помощью винтов, которые были выбраны первыми, показало, что лучшее расположение с точки зрения механической сборки отрицательно скажется на работе антенны. В качестве альтернативы было выбрано решение на основе пластиковых защелок. Их установка требует оформления дополнительных вырезов и отверстий в печатной плате, на что тоже пришлось обратить внимание.
Визуализация плотности тока на печатной плате показала, что в вырезах с углами 90° или монтажных отверстиях вблизи углов будут большие силы тока, что, как следствие, приведет к проблемам с излучением электромагнитных помех. Поэтому в конструкцию было внесено несколько изменений, чтобы минимизировать этот эффект.
В конечном итоге результаты всех симуляций показали возможность уменьшения площади модуля с антенной BT на 53% по сравнению с исходным размером от эталонного дизайна. Дополнительно удалось увеличить полосу пропускания и улучшить коэффициент усиления на 6 дБ.
Таким образом использование соответствующих инструментов САПР позволит распознать эти потенциальные проблемы и устранить их ещё на этапе проектирования. В конечном счете, эталонный дизайн, созданный без учета промышленного использования, может быть успешно переработан под реальные нужды.
