چگونه عملکرد بی‌سیم بهتری را برای دستگاه های قابل‌حمل با PCB کوچک فراهم کنیم

تقاضا برای دستگاه‌های بی‌سیم کوچکتر برای استفاده در کاربردهای مصرفی مانند پوشیدنی‌ها، دستگاه‌های پزشکی و مکان‌یاب‌ها و همچنین کاربردهای صنعتی مثل روشنایی، امنیت و مدیریت ساختمان در حال رشد است. همچنین میدانیم که دستگاه‌های الکترونیکی کوچک‌تر، دارای PCB کوچک تری هستند، که به این معنی است که آنتن‌ها باید با سیم زمین کوتاه‌تری کار کنند، و اگر آن‌ها باتری کار می‌کنند، توان نیز یک عامل است – زیرا دستگاه نباید بیش از حد توان مصرف کند.

این یک چالش بزرگ برای طراح محصول است. قبل از اینکه محصول جدید بتواند در شبکه‌های حامل مورد استفاده قرار گیرد، طرح نهایی باید برای مجوز شبکه رسمی و تایید دولت ارایه شود، و طرح احتمالا در صورتی که آنتن‌ها به درستی کار نکنند، یا اگر این وسیله با انتشار مجدد نویز از دستگاه تداخل رادیویی ایجاد کند، شکست خواهد خورد. این بدین معنی است که گرفتن تاییدیه تولید برای یک محصول کوچک‌تر سخت‌تر است، چرا که دستیابی به عملکرد بی‌سیم برای مدارات کوچکی که به اندازه کافی خوب باشند که انتقال و دریافت در حداقل سطوح را داشته باشند، بسیار دشوار است. این امر به خصوص در آمریکا صدق می‌کند که در آن طراحی باید معیارهای سخت گیرانه ای برای کسب تاییدیه شبکه داشته باشد.

این یک حقیقت است که برای آنتن‌های کوچکی که در فرکانس‌های زیر ۱ گیگاهرتز عمل می‌کنند، به طور ایده‌آل برای رسیدن به کارایی خوب به صفحه زمین با طول ۱۰۰ میلی متر یا بیشتر نیاز داریم. اگر بازده آنتن کاهش یابد، باعث مشکلات مصرف توان و دستیابی به تایید شبکه برای محصول تمام‌شده خواهد شد. این به این معنی است که چالش برای یک طراح محصول، ایجاد طرحی است که فضای کافی برای آنتن وجود داشته باشد تا بتواند درست کار کند، و همچنان با همه مولفه‌ها در یک PCB کوچک‌ تر جا شود.

تصویر۱

این به ویژه برای آنتن‌هایی که در فرکانس‌های زیر ۱ گیگاهرتز عمل می‌کنند، صادق است، که نوعا برای محصولاتی مثل دستگاه‌های اینترنت اشیا، مکان یاب ها، دستگاه‌های تناسب اندام و دیگر دستگاه‌های کوچک مشابه استفاده می‌شوند.

دستگاه‌های پوشیدنی و دستگاه‌های پزشکی که در نزدیکی بدن انسان به کار می‌روند یک چالش ویژه هستند. بدن انسان سیگنال‌های RF را محدود می‌کند، بنابراین طراح باید نحوه تابش این آنتن‌ها را در نظر داشته باشد و اطمینان حاصل کند که آنتن در حالتی قرار گیرد که بدن انسان مانع از سیگنال‌ها نشود.

دستگاه‌های پوشیدنی می‌توانند به اندازه ۵۰ میلی‌متر یا حتی کم‌تر باشند. و برخی از آن‌ها ممکن است از بیش از یک آنتن استفاده کنند!

عوامل متعددی وجود دارند که بر عملکرد آنتن در وسایل کوچک تاثیر می‌گذارند و این مقاله به نوبه خود به  آن‌ها رسیدگی خواهد کرد. اولین و مهم‌ترین آنها صفحه زمین است که در بسیاری از موارد برای آنتن ضروری است. اما این تنها چیزی نیست که باید مورد توجه قرار گیرد. طراح باید آنتن را به درستی قرار داده و مولفه‌های دیگر و موقعیت این مولفه‌ها را در رابطه با آنتن در نظر بگیرد، تا اطمینان حاصل شود که هیچ چیز نویزی یا فلزی در مسیر آنتن وجود ندارد. در نهایت، بدنه دستگاه می‌تواند تفاوت بزرگی ایجاد کند و ما مواد اصلی را برای جلوگیری از ایجاد مشکلات طرح خواهیم کرد.

طرز کار آنتن‌های نهفته

یک آنتن دوقطبی از دو تشعشع‌کننده برای عملکرد استفاده می‌کند، اما تراشه نهفته تنها یک آنتن دارد. برای یک آنتن نهفته، یک سطح از PCB کوچک به تشعشع‌کننده دوم تبدیل می‌شود. این امر توضیح می‌دهد که چرا اگر طول برد چاپی خیلی کوتاه باشد، آنتن به طور موثر عمل نخواهد کرد.

رزونانس یک آنتن به طور مستقیم با طول‌موج آن مرتبط است. طول موج این آنتن‌ها باید مضرب یا کسری از طول‌موج باشد، که کوتاه‌ترین طول تشدیدشونده برابر یک چهارم طول‌موج خواهد بود.

یک آنتن تمام موج در فرکانس ۹۱۶ مگاهرتز باید حدود ۳۲۷ میلیمتر طول داشته باشد، که برای آنتن نهفته برای کاربردهای نهفته عملی نخواهد بود، اما یک نسخه یک چهارم موج با صفحه زمین در طول ۸۷.۲ میلی متر عمل خواهد‌ کرد. این امر از روی بقایای مسی و لایه‌های پنهان در داخل یک آنتن کوچک نصب‌شده در یک تراشه آنتن امکانپذیر خواهد شد.

طراحان آنتن با استفاده از صفحه زمین به عنوان نیمه دیگر از دو قطب آنتن نیم موج، این محدودیت را رفع می‌کنند، بنابراین آنتن تک‌قطبی یک چهارم موج در برابر صفحه زمین می‌تابد. از این رو، اکثر آنتن‌های جاسازی‌شده در دستگاه‌های بی‌سیم کوچک، از آنتن‌های تک‌قطبی یک چهارم موج تشکیل شده اند.

طول صفحه زمین

برای اینکه یک آنتن نهفته بتواند بطور مؤثر کار کند، صفحه زمین باید حداقل برابر با یک چهازم طول موج حداکثر کار آنتن باشد. بر این اساس، در فرکانس‌های پایین‌تر، طراحی بسیار ساده‌تر خواهد بود چون صفحه زمین ۱۰۰ میلیمتر یا بیشتر خواهد بود.

عملکرد آنتنهای نهفته مستقیماً به طول صفحه زمینشان وابسته است، بنابراین برای اجازه دادن به صفحه زمین برای رسیدن به طول مورد نظر بزرگترین چالش طراحی های کوچک است.

شکل ۱، بده بستان بین طول صفحه زمین و بازده آنتن را از ۷۹۴ مگاهرتز تا ۲.۶۹ گیگاهرتز در سمت راست میدهد.

شکل ۱. (منبع: Antenova Ltd)

این نتایج به وضوح نشان می‌دهند که چگونه بازده آنتن برای یک صفحه زمین کوچک در فرکانس‌های زیر ۱ گیگاهرتز کاهش می‌یابد. این نتایج از روی یک تراشه آنتن ۳G و ۴G که در فرکانسهای ۷۹۱ تا ۹۶۰ مگاهرتز، ۱۷۱۰ تا ۲۱۷۰ مگاهرتز، ۱۴۰۰ تا ۲۳۰۰ مگاهرتز و ۲۵۰۰ تا ۲۹۶۹ مگاهرتز بر روی یک PCB کوچک کار میکردند به دست آمده است.

به طور کلی، صفحه زمین برای دستگاهی که در فرکانس‌های زیر ۱ گیگاهرتز کار میکند، باید ۱۰۰ میلی متر یا بیشتر باشد. در ایالات‌متحده، فرکانس‌های ۴G از باندهایی به کوچکی ۶۹۸ مگاهرتز یا حتی ۶۱۷ مگاهرتز که به یک صفحه پایه بزرگ‌تر از ۱۰۰ میلی متر نیاز دارند، استفاده می‌کنند.

قرارگیری آنتن بر روی برد چاپی

بعد از آن، ما باید موقعیت آنتن را بر روی PCB کوچک و قرارگیری آن را در ارتباط با سایر اجزا در نظر بگیریم. آنتن باید در بهترین مکان ممکن در موقعیت بندی کلی RF قرار گیرد تا بتواند بصورت مؤثر تابش کند.

هر آنتن تکی برای کار موثر در چند نقطه در یک برد چاپی طراحی شده‌است. این مورد اغلب در گوشه یا لبه قرار دارد، با این حال برای هر آنتن متفاوت است، بنابراین انتخاب یک آنتن که متناسب با طراحی است و مطابق با توصیه سازنده برای آن آنتن می‌باشد، بسیار مهم است.

شکل ۲ نشان می‌دهد که چگونه این آنتن‌ها با مساحت کوچک خود در یک دستگاه کوچک مانند یک دستگاه پوشیدنی یا ساعت مچی به کار گرفته می‌شوند.

شکل ۲.

شکل ۳ یک قرارگیری مناسب آنتن را برای طراحی یک ساعت‌مچی نشان می‌دهد. این طراحی، پاک‌سازی توصیه‌شده در بالا و پایین این آنتن‌ها را که در رنگ قرمز نشان‌داده شده‌است، حفظ می‌کند.

شکل ۳.

اجزای نویزداری مثل باتری یا LCD را نباید در نزدیکی بخش آنتن قرار داد. آنتن‌ها دارای مولفه‌های غیرفعالی هستند که انرژی را دریافت می‌کنند و نویز را از اجزای نویزی استخراج می‌کنند و این نویز را به رادیو منتقل می‌کنند و سیگنال دریافتی را بی‌کیفیت می‌کنند. این آنتن‌ها نیز باید از بدن انسان برای بهبود عملکرد RF، دورتر گذاشته شوند، این فاصله‌ای است که در شکل ۳ در بالا به رنگ آبی نشان‌داده شده‌است.

طراحی مدار RF و اتصالات زمین برای کارکرد این آنتن‌ها حیاتی می‌باشند. با آنتن‌های کوچک نهفته در یک PCB کوچک، خطوط مس روی یک PCB کوچک ممکن است بخش مهمی از این آنتن‌ها را تشکیل دهند، پس باید به مشخصات سازنده یا مرجع طراحی توجه نمود.

ساختاربندی RF و چیدمان PCB

شما می‌توانید عملکرد آنتن را با توجه دقیق به چیدمان عناصر RF در طراحی به حداکثر برسانید. صفحه زمین مسی نباید شیار داشته باشد یا بیش از یک لایه باشد، با این کار قسمت پایین صفحه آنتن قادر به تابش موثر بیشتری خواهد بود.

ضروری است که اجزایی مانند LCD و یا باتری را در طرح PCB از آنتن دور کنیم، چون این عناصر می‌توانند با نحوه تابش این آنتن‌ها تداخل داشته باشد.

برای فرکانس‌های چند بانده، ما یک برد چاپی با حداقل چهار لایه را پیشنهاد می‌کنیم.

شکل ۴ نشان می‌دهد که چگونه لایه‌های بالا و پایین صفحه‌های زمین را فراهم می‌کنند، در حالی که سیگنال‌های دیجیتال و تغذیه، که باید از صفحه زمین فاصله بگیرند، در فضای بین این دو قرار می‌گیرند.

شکل ۴

تنظیم آنتن برای عملکرد بهتر

برای مواردی که سطح زمین کوتاه‌تر از ایده‌آل است، طراح می‌تواند به تکنیک‌های دیگر برای افزایش عملکرد آنتن‌های جاسازی‌شده رجوع کند.

یک راه این است که آنتن را برای کشور محل عملکرد تنظیم کند. محدوده فرکانس ۴G گستره وسیعی است که از ۶۹۸ مگاهرتز تا ۲۶۹۰ مگاهرتز وسعت دارد، اما هر منطقه متفاوت جهان تنها بخشی از این باند را استفاده می‌کند، و یک آنتن می‌تواند تنها در یک محدوده فرکانسی خاص عمل کند. این به این معنی است که زمانی که یک محصول باید در یک منطقه جغرافیایی خاص به کار رود، می توان آن را تنظیم نمود تا در بخش باریک‌تری از باند فرکانس به کار رود. این امر عملکرد آنتن را افزایش خواهد داد.

تکنیک دیگر شامل استفاده از یک شبکه تنظیم‌کننده فعال است، که به طور موثر یک مدار سوییچینگ RF اضافی است، و به کاهش پهنای باند ایجاد شده توسط یک صفحه زمین کوچک‌تر که در آن PCB کوچک تر از ۷۵ میلی متر است، کمک خواهد کرد. یک مدار تطبیق PI  نزدیک به نقطه تغذیه آنتن، برای تنظیم دقیق آنتن و بالا بردن عملکرد اضافه شده‌است. طراحی مدار تطبیق معمولا نیازمند کمک یک متخصص RF است.

شکل ۵ یک مدار تطبیق را بر روی یک برد آزمایشی نشان میدهد.

شکل ۵.

طراحی خط انتقال

هنگامی که مواد اولیه برای برد چاپی انتخاب شده اند و ضخامت و ثابت دی الکتریکشان هم دانسته شده است، یک خط انتقال مسطح می‌تواند با استفاده از یکی از بسته‌های نرم‌افزاری طراحی RF موجود، طراحی شود. این کار از ضخامت برد چاپی، جداسازی لایه مس و ثابت دی‌الکتریک زیر لایه برای محاسبه عرض بهینه خط انتقال و فاصله مناسب در هر دو طرف برای رسیدن به خط انتقال مسطح ۵۰ اهم استفاده خواهد کرد.

همه خطوط انتقال باید طوری طراحی شوند تا امپدانس مشخصه ۵۰ اهم داشته باشند و قسمت‌های دیگر سیستم RF، مانند فرستنده و تقویت‌کننده‌های قدرت نیز باید با امپدانس ظاهری برابر با ۵۰ اهم طراحی شوند.

Antenova یک ابزار ماشین‌حساب الکترونیکی رایگان برای کمک به طراحان RF برای تعیین اندازه خط انتقال ارایه می‌دهد.

سایر فاکتور ها

ممکن است بیش از یک آنتن وجود داشته باشد که در فرکانس‌های مختلف در یک بردچاپی عمل می‌کنند اما در مجاورت یکدیگر قرار گرفته‌باشند. اگر سیستم فقط دریافت کننده باشد، مثلاً یک گیرنده GPS، ممکن است توسط یک آنتن انتقال مجاور مثل ۴G تداخل صورت پذیرد و صحت سیستم GPS کاهش یابد. بنابراین باید برای جدا کردن این آنتن‌ها، یا با استفاده از فاصله گذاری فیزیکی بین آنتن‌ها، اطمینان حاصل شود که آنتن‌ها بر یکدیگر عمود هستند – یا با دو قطعه کردن صفحه زمین برای حذف جریان‌های زمینی مشترک این دو آنتن‌.

در سیستم‌های چندورودی- چند خروجی، طراحی به بیش از یک آنتن نیاز دارد که یکی‌شان باید با یک نسبتی به دیگری قرار داده شود تا بتوانند هم‌زیستی داشته باشند. سپس آن‌ها می‌توانند با فرکانس‌های یک‌سان تطبیق داده شوند. لازم به ذکر است که آنتن‌ها باید به منظور حصول اطمینان از اینکه جداسازی و همبستگی متقابل در محدوده قابل‌قبول قرار داشته باشند، جاگیری شوند. همانطور که در بالا ذکر شد، مراقبت باید برای جدا کردن آنتن در دستگاه، با فاصله گذاری فیزیکی بین آنتن‌ها صورت می‌گیرد، و اطمینان حاصل می‌شود که این آنتن‌ها با یکدیگر متعامد میباشند، یا با دو قطعه کردن صفحه زمینِ میان آنتن‌ها برای حذف جریان‌های زمینی میان این آنتن‌ها مشکل را رفع می‌کنیم.

شکل شماره ۶ محل قرارگیری این دو آنتن را نشان میدهد.

شکل ۶

شکل ۷

بدنه خارجی نباید حاوی فلز نزدیک به آنتن باشد، اما پوششهای فلزی خاصی قابل قبول هستند، زیرا آن‌ها انرژی را به طور موثر هدایت نمی‌کنند. اشیا فلزی در نزدیکی این آنتن‌ها می‌تواند سبب کاهش فرکانس این آنتن‌ها در فرکانس کم‌تر گردد. همچنین می‌تواند میزان پهنای باند آنتن را کاهش دهد که برای کار با آن طراحی شده‌است. مساله دیگری که اشیا فلزی در نزدیکی آنتن دارند این است که اشیا فلزی، سیگنال را در جهت قرار می‌دهند که فلز در حال کاهش الگوی پراکنش کلی است و احتمالا باعث می‌شود که سیگنال به اندازه کافی تنزل یابد تا اتصال با ایستگاه مبنا را از دست بدهد.

خلاصه

اگر محصول طراحی شده قرار است شامل یک آنتن باشد، به خصوص اگر از یک PCB کوچک استفاده می‌کند، توصیه می‌کنیم اول آنتن را انتخاب کنیم و آن را ابتدا بر روی برد چاپی قرار دهیم. انجام این کار به جای قرار دادن آنتن در طراحی نهایی ساده‌تر است. تفکر در مورد این آنتن‌ها معمولا سریع‌ترین راه برای رسیدن به طرح RFی است که در آن المان ها به طور ایده آل عمل می‌کنند.
این کار شانس کسب تاییدیه شبکه برای دستگاه را افزایش می‌دهد. در صورتی که به دست آوردن تاییدیه و قوانین سخت باشد، آنتن باید به طور موثر عمل کند. با این حال، AT & T برای وسایلی که کوچک‌تر از ۱۰۷ میلی متر هستند گواهی‌هایی را ایجاد کرده است و آستانه کارایی برای این وسایل کوچک‌تر را پایین آورده است.

بیشتر بخوانبد: MAX32520 ، میکروکنترلر جدید با تکنولوژی PUF