PCB-антенна — это распространенное решение для встроенной антенны, используемое в компактных беспроводных устройствах. Она образована медными дорожками на печатной плате и широко используется в IoT-устройствах, Wi-Fi-модулях, Bluetooth-изделиях, умных счетчиках, пультах дистанционного управления, трекерах и других беспроводных электронных устройствах.
Выбор PCB-антенны — это не только выбор референсного дизайна. Частотный диапазон, размер PCB, заземляющий слой, свободная зона вокруг антенны, материал корпуса, близлежащие компоненты и согласующая цепь — все это влияет на итоговые характеристики антенны.
В этом руководстве объясняется, как выбрать PCB-антенну для вашего беспроводного устройства и когда может потребоваться индивидуальная разработка PCB-антенны.
Что такое PCB-антенна?
PCB-антенна — это антенная структура, напечатанная непосредственно на печатной плате. Она использует медные дорожки для излучения и приема радиочастотных сигналов. PCB-антенна может быть выполнена на основной печатной плате изделия или на отдельной плате антенны, подключенной к устройству.
PCB-антенны популярны, потому что они могут быть компактными, экономичными и подходящими для массового производства. Их часто используют, когда изделию нужна внутренняя антенна без добавления внешнего антенного компонента.
Однако PCB-антенны сильно зависят от конструкции изделия. Дизайн, который хорошо работает на одной плате, может работать иначе на другом устройстве.
Когда PCB-антенна — хороший выбор?
PCB-антенна может быть хорошим выбором, если:
- Устройству нужна внутренняя антенна
- В изделии достаточно места для PCB
- Корпус в основном пластиковый
- Антенну можно разместить вдали от металлических частей
- Контроль затрат важен для серийного производства
- В продукте используются распространённые беспроводные диапазоны, такие как WiFi, Bluetooth, Zigbee, LoRa или sub-GHz
- В конструкции можно предусмотреть достаточную свободную зону для антенны
Для многих компактных IoT-устройств PCB-антенна может обеспечить хороший баланс между стоимостью, конструкцией и радиочастотными характеристиками.
1. Определите частотный диапазон
Первый шаг — определить рабочий частотный диапазон. Конструкция PCB-антенны должна соответствовать беспроводному модулю и стандарту связи.
Распространённые частотные диапазоны PCB-антенн включают:
- 433MHz
- 868MHz
- 915MHz
- 2.4GHz
- 5GHz
- Диапазоны GNSS
- Диапазоны LTE или сотовой связи в некоторых конструкциях
Антенны нижних частот обычно требуют больше физического пространства из-за большей длины волны. Это может усложнить проектирование низкочастотных PCB-антенн в компактных устройствах.
PCB-антенну 2.4GHz обычно проще интегрировать, чем PCB-антенну 433MHz, поскольку для неё требуется меньшая физическая длина.
2. Проверьте доступное место на печатной плате
Производительность антенны на печатной плате во многом зависит от доступного пространства на плате. Антенне требуются достаточная физическая длина и достаточный зазор от других компонентов.
Если печатная плата слишком мала или слишком плотно заполнена, антенна может иметь низкую эффективность, узкую полосу пропускания или нестабильную работу. Это особенно часто встречается в компактных беспроводных устройствах, где аккумуляторы, дисплеи, датчики и разъемы занимают большую часть внутреннего пространства.
Перед выбором антенны на печатной плате инженерам следует оценить, может ли плата обеспечить достаточную площадь для антенны.
3. Предусмотрите свободную зону для антенны
Свободная зона для антенны — один из важнейших факторов при проектировании антенны на печатной плате. Область антенны обычно следует размещать вдали от металлических деталей, плотной меди, аккумуляторов, экранирующих кожухов, дисплеев и высокоскоростных цепей.
Недостаточный зазор может привести к:
- снижению эффективности антенны
- расстройке частотной характеристики
- повышению КСВН
- сокращению радиуса действия
- нестабильной связи
Поэтому свободную зону для антенны следует учитывать на раннем этапе проектирования продукта. Если отложить это до завершения компоновки печатной платы, оптимизация антенны может значительно усложниться.
4. Учитывайте заземляющую плоскость
Полигон заземления оказывает сильное влияние на работу PCB-антенны. Многие PCB-антенны используют полигон заземления как часть антенной системы. Размер, форма и подключение полигона заземления могут влиять на импеданс, полосу пропускания, усиление и диаграмму направленности.
Более крупный и хорошо спроектированный полигон заземления часто помогает улучшить работу антенны. Небольшой или нерегулярный полигон заземления может ограничивать эффективность антенны и усложнять настройку.
Поэтому проектирование PCB-антенны следует оценивать вместе со всей компоновкой PCB, а не только с антенной трассой.
5. Оцените корпус и материалы рядом
Корпус конечного устройства может изменить работу антенны. Пластиковые материалы, толщина стенок, металлические детали, винты, аккумуляторы, дисплеи и кабели — все это может влиять на антенну.
Если PCB-антенна расположена слишком близко к металлу, сигнал может блокироваться или поглощаться. Если материал корпуса имеет высокие потери, эффективность антенны также может снизиться.
По этой причине тестирование PCB-антенны следует проводить после установки антенны в реальную конструкцию продукта, а не только на открытой тестовой плате.
6. Проверьте согласующую цепь и КСВН
Большинству PCB-антенн требуется согласующая цепь для улучшения согласования импеданса. Согласующая цепь обычно использует такие компоненты, как конденсаторы и катушки индуктивности, для настройки антенны на целевой диапазон частот.
КСВН обычно используется для проверки правильности согласования антенны. Более низкий КСВН обычно означает меньшее отражение сигнала. Однако КСВН — лишь часть характеристик антенны. Эффективность, усиление, диаграмма направленности и тестирование реальной связи также важны.
7. Стандартная или заказная PCB-антенна?
Стандартный референсный дизайн PCB-антенны может быть полезен для некоторых продуктов. Однако многим реальным устройствам требуется заказная разработка PCB-антенны, поскольку у каждого продукта различаются размер платы, корпус, полигон заземления, компоновка компонентов и требования к частоте.
Заказная PCB-антенна может потребоваться, если:
- Устройство имеет ограниченное внутреннее пространство
- Разводка печатной платы уже зафиксирована
- Земляной слой мал или имеет неправильную форму
- Изделию требуется специальный частотный диапазон
- Характеристики стандартной антенны после установки нестабильны
- Антенна должна поддерживать несколько диапазонов
- Изделию нужны стабильные характеристики до сертификации и серийного производства
Индивидуальная разработка антенны может помочь оптимизировать конструкцию антенны, согласующую цепь, размещение и итоговые характеристики.
Часто задаваемые вопросы
Что такое печатная антенна?
Печатная антенна — это антенна, нанесённая на печатную плату в виде медных дорожек для излучения и приёма радиочастотных сигналов.
Подходит ли печатная антенна для компактных устройств?
Да, печатная антенна может подойти для компактных устройств, но требует достаточной площади платы, земляного слоя и свободного пространства.
Нужен ли печатной антенне земляной слой?
Многие печатные антенны используют земляной слой как часть антенной системы, поэтому проектирование земляного слоя очень важно.
Нужна ли печатной антенне настройка?
Да. Печатные антенны обычно требуют настройки после интеграции в конечное изделие, поскольку корпус, разводка печатной платы и близлежащие компоненты могут изменить характеристики.
Заключение
Выбор PCB-антенны требует тщательной оценки частотного диапазона, размера платы, земляного полигона, зазора вокруг антенны, материала корпуса, согласующей цепи и условий окончательного монтажа.
Если стандартная PCB-антенна не соответствует вашим требованиям по размеру, частоте, эффективности, КСВН или конструкции изделия, наша команда RF-инженеров поможет разработать и настроить PCB-антенну по индивидуальному проекту от проектирования до производства.
