Встраиваемые антенны
Встраиваемые антенны
Время чтения 7 минут
Встраиваемые антенны
Тарас Парфенович

Встраиваемые антенны

04 мая 2021

Привет! Меня зовут Тарас Парфенович и я инженер-электроник в компании Юник Лаб. Занимаюсь разработкой встраиваемых электрически малых антенн (embedded electrically small antennas) для устройств области IoT и не только. Справка: размер таких антенн много меньше, чем длина электромагнитной волны, на которую настроена рассматриваемая антенна.

Тут же может возникнуть логичный вопрос: зачем изобретать «велосипед», если на рынке достаточно готовых антенн всех возможных технологий (печатные, прессованные, чип-антенны) и невысокой стоимости (1 - 10 у. е.) на все популярные частотные диапазоны и стандарты: ISM, 3G, L1, L2, LTE, Wi-Fi/Bluetooth, и т. д.? 

 

 

Рис. 1 – Готовые стандартные антенны. Изображение, как водится, носит исключительно иллюстративный характер

Ну хотя бы потому, что я останусь без работы антенна, разработанная специально под конкретное устройство, будет демонстрировать значительно лучшие характеристики, нежели стандартная среднестатистическая антенна из магазина. И, как следствие, это влечет за собой улучшение характеристик, связанных напрямую с параметрами антенны (скорость передачи данных или дальность связи, повышение ее стабильности). Также произойдет улучшение параметров, связанных с работой антенны менее очевидно: снизятся уровни внеполосного излучения и энергопотребление. Кроме того, грамотно разработанная кастомная антенна органично впишется в дизайн устройства, обеспечив оптимальные параметры радиосвязи.

Наверное, здесь уместно сравнение с соревновательной обувью олимпийского бегуна, разработанной специально для конкретного атлета и выполняющей строго определенную задачу. Такая обувь позволит установить рекорд на дистанции исключительно тому спортсмену, для которого она предназначалась (ну или его генетическим копиям, если перенести аналогию на серийную разработку ).

В чем же причина перечисленных преимуществ?

Один из важнейших факторов, который наиболее сильно влияет на эффективность антенны (под эффективностью я понимаю отношение излученной мощности к подведенной), это близость элементов конструкции устройства (печатная плата, разъемы, индикаторы, трансформаторы, корпус и т. д.). Антенна «чувствует» наличие различных объектов вблизи себя и проявляет реакцию: меняет свои внутренние (значение входного сопротивления) и внешние (диаграмма направленности) свойства. Чаще всего это приводит к снижению эффективности антенны, если не вдаваться в технические тонкости. Это связано с тем, что антенна имеет вокруг себя весьма чувствительную область – реактивную зону. Радиус этой зоны, при прочих равных, тем больше, чем выше рабочий частотный диапазон. Например, радиус реактивной зоны для штыревой антенны длинной 11 см диапазона 433 МГц составит примерно 30 мм, а для такой же по размеру антенны диапазона 2,45 ГГц – 65 мм (см. рис. 2). Большинство объектов, находясь в этой зоне, очень сильно влияют на антенну, становясь ее частью.

Встраиваемая антенна

Рис. 2 – Очень условная попытка очертить границу ближней реактивной зоны.

При внедрении радиоинтерфейсов (антенна плюс приемопередающее устройство) в любое небольшое устройство: смартфон, смартчасы, пульт ДУ и т. д. – все компоненты устройства, а также тело пользователя оказываются в зоне реактивного поля антенны и их влияние необходимо учитывать при внедрении антенны. В противном случае радиосвязь всех стандартов, которыми одарено ваше устройство, упорно будет демонстрировать дальность, пригодную разве что для устройств NFC, ну вы поняли)!.. И это, к сожалению, далеко не единственная возможная проблема.

Крупные производители встраиваемых антенн предоставляют широкий выбор готовых вариантов, а также возможностей настроить выбранный вариант под требуемый частотный диапазон и положения на печатной плате. Это позволяет выполнить быстрое, технологичное и мало затратное прототипирование или даже внедрить полученное решение в серийную продукцию.

Однако, часто такое решение не позволяет добиться наилучших характеристик и использовать потенциал радиоинтерфейса по максимуму. Для таких стандартных антенных решений с учетом потерь в цепи согласования значение реальной эффективности не превышает 30-50 %.

Кроме того, часто рекомендуемые производителем положения антенны на печатной плате изначально не подходят для конструкции разрабатываемого устройства. Так разработчик, заложив в прототип стандартную, пусть и подстроенную по месту антенну, установив все компоненты устройства, заключив всю начинку в корпус (т. е. внеся новые объекты в реактивное поле уже настроенной антенны), при итоговом тестировании параметров радиосвязи получает неудовлетворительные результаты: малую дальность, недостаточную скорость и нестабильность информационного обмена.

На этом этапе, перепробовав несколько или много стандартных вариантов антенн и не получив желаемого, разработчик устройства вынужден обратиться к специальной или кастомной антенной разработке. В таких ситуациях разработчик антенн сталкивается с непростой задачей (а порой и практически невыполнимой), поскольку остается минимум пространства для манёвра, т. к. устройство «почти готово, осталась проблема только с антенной…» и допустимы лишь минимальные доработки.

Что необходимо сделать, чтобы избежать этих проблем?

1. Учитывать технические особенности работы антенн на ранних этапах разработки (идеально на этапе компьютерного проектирования эскизов устройства).

2. Выполнить компьютерную симуляцию работоспособности антенны в готовом виртуальном устройстве. Этот этап позволит заранее оценить пригодность антенны для выполнения поставленных задач, т. е. ее работоспособность в конкретных условиях. В результате этого этапа может появиться несколько перспективных вариантов конструкции антенн и/или ее местоположения.

3. Выполнить макетирование антенны и проверки на экспериментальном образце. При необходимости проверяются все перспективные варианты, полученные в п.2. По результатам экспериментальных проверок и оценок технологичности установки, трудоемкости изготовления и т. д. выбирается предсерийный образец антенны. Если получить удовлетворительные результаты не удалось, то повторяется п.2.

4. Заказать или изготовить небольшую серию образцов антенн и проверить их вместе с устройством предсерийного или уже серийного образца. На данном этапе оценивается возможность производить антенны с требуемыми характеристиками серийно, их разброс. При положительном результате испытаний антенна идет в серию.

5. При смене производителя антенн целесообразно начать с небольшой серии даже для уже проверенного варианта, поскольку из-за различий в тех процессах/материалах параметры готовых могут отличаться.

Итак, использование специализированных «кастомных» встраиваемых малых антенн, а также организация процесса разработки устройств с учетом «антенных» особенностей целесообразно, если к устройствам предъявляются повышенные требования с точки зрения дальности/скорости/стабильности информационного обмена, электромагнитной совместимости, автономности, работы в сложных условиях: из-под металлического корпуса, вблизи тела и т. д.

 

Вернуться к блогу Типы и конструкции встраиваемых антенн

Ваша форма успешно отправлена!

Связаться с нами
Ваше сообщение успешно отправлено!
Поле обязательно для заполнения Превышен лимит в 40 символов
Превышен лимит в 512 символов
Введите ваш вопрос
Неверный формат файла
Поле обязательно для заполнения Поле обязательно для заполнения Согласитесь с правилами сбора персональных данных