Cara mendapatkan kinerja nirkabel yang lebih baik untuk perangkat seluler dengan PCB kecil
Permintaan akan perangkat nirkabel yang lebih kecil semakin meningkat, untuk digunakan dalam aplikasi konsumen seperti perangkat yang dapat dikenakan, perangkat medis, dan pelacak serta dalam aplikasi industri seperti pencahayaan, keamanan, dan manajemen gedung. Oleh karena itu, perangkat elektronik yang lebih kecil akan membutuhkan PCB yang lebih kecil, yang berarti bahwa antena harus bekerja dengan ground plane yang lebih pendek, dan jika dioperasikan dengan baterai, daya juga merupakan faktor – karena perangkat tidak boleh mengonsumsi terlalu banyak daya.
Ini menghadirkan tantangan yang cukup besar bagi perancang produk. Desain akhir perlu diajukan untuk jaringan formal dan persetujuan pemerintah sebelum produk baru dapat digunakan pada jaringan operator, dan desain kemungkinan akan gagal jika antena tidak berfungsi dengan benar, atau jika perangkat menimbulkan interferensi radio oleh memancarkan kembali kebisingan dari perangkat. Oleh karena itu, bahkan lebih sulit untuk mendapatkan persetujuan operator untuk produk yang lebih kecil, karena lebih sulit untuk mencapai kinerja nirkabel yang cukup baik untuk melewati tingkat pengiriman dan penerimaan minimum. Hal ini terutama berlaku di AS di mana desain harus memenuhi kriteria ketat untuk mendapatkan persetujuan jaringan.
Fakta bahwa antena elektrik kecil untuk beroperasi pada frekuensi di bawah 1GHz, mereka idealnya membutuhkan panjang ground plane 100mm atau lebih untuk mencapai kinerja dan efisiensi yang baik. Jika efisiensi antena turun, itu akan menyebabkan masalah dengan konsumsi daya dan mencapai persetujuan jaringan untuk produk jadi. Artinya, tantangan bagi perancang produk adalah membuat desain yang memiliki cukup ruang agar antena dapat bekerja dengan benar, dan tetap memasukkan semua komponen ke dalam PCB yang lebih kecil.
Hal ini terutama berlaku untuk antena yang beroperasi pada frekuensi di bawah 1 GHz, yang biasanya digunakan untuk produk seperti perangkat IoT, pelacak produk, perangkat kebugaran, dan perangkat kecil serupa lainnya.
Perangkat wearable dan perangkat medis yang digunakan dekat dengan tubuh manusia menghadirkan tantangan khusus. Tubuh manusia membatasi sinyal RF, jadi perancang harus mempertimbangkan bagaimana antena akan memancar, dan pastikan untuk menempatkan antena sedemikian rupa sehingga tubuh manusia tidak akan menghalangi sinyal.
Perangkat yang dapat dikenakan bisa sekecil 50mm atau bahkan kurang. Dan beberapa dari mereka mungkin menggunakan lebih dari satu antena!
Ada beberapa faktor yang memengaruhi kinerja antena di perangkat kecil, dan artikel ini akan membahasnya satu per satu. Yang pertama dan paling penting adalah bidang tanah, yang dalam banyak kasus sangat penting bagi antena untuk memancar. Tapi ini belum semuanya, perancang harus menempatkan antena dengan benar dan mempertimbangkan komponen lain dan posisinya dalam kaitannya dengan antena, untuk memastikan tidak ada suara bising atau logam di jalur antena. Terakhir, casing untuk perangkat dapat membuat perbedaan, dan kami akan menjelaskan bahan utama yang harus dihindari.
Antena Tertanam – cara kerjanya
Antena dipol menggunakan dua radiator untuk beroperasi, tetapi antena chip tertanam hanya memiliki satu. Untuk antena tertanam, permukaan PCB menjadi radiator kedua. Ini menjelaskan mengapa, jika panjang PCB terlalu pendek, antena tidak akan beroperasi secara efisien.
Resonansi antena berhubungan langsung dengan panjang gelombangnya. Antena harus beresonansi pada bilangan bulat kelipatan atau pecahan dari panjang gelombang, dengan panjang resonansi terpendek adalah seperempat panjang gelombang.
Antena gelombang penuh pada frekuensi 916MHz harus memiliki panjang sekitar 327mm, yang tidak praktis untuk antena tertanam, tetapi versi seperempat gelombang praktis pada panjang bidang dasar 87,2mm. Ini akan digulung melintasi jejak dan lapisan tembaga yang tersembunyi di dalam antena chip kecil yang dipasang di permukaan.
Perancang antena mengatasi batasan ini dengan menggunakan bidang tanah sebagai setengah dari dipol setengah gelombang yang hilang, sehingga antena monopol seperempat gelombang memancar melawan bidang dasar. Oleh karena itu, antena tertanam yang paling populer di perangkat nirkabel kecil cenderung menjadi antena monopole seperempat gelombang.
Panjang bidang dasar
Agar antena tertanam bekerja secara efisien, bidang tanah harus setidaknya seperempat panjang gelombang antena pada frekuensi terendah. Oleh karena itu, pada frekuensi yang lebih rendah, desain akan jauh lebih mudah jika bidang tanah berukuran 100mm atau lebih besar.
Performa antena tertanam berhubungan langsung dengan panjang bidang dasarnya, sehingga memungkinkan denah tanah menjadi panjang yang benar adalah tantangan terbesar untuk desain yang lebih kecil.
Gambar 1 menunjukkan trade-off antara panjang ground plane dan efisiensi antena dari 794 MHz di sebelah kiri hingga 2,69 GHz di sebelah kanan.
Gambar 1. (Sumber:Antenova Ltd)
Hasil ini menunjukkan dengan jelas bagaimana efisiensi antena turun untuk pesawat darat kecil pada frekuensi di bawah 1GHz. Hasil ini diperoleh untuk antena chip 3G/4G yang beroperasi pada frekuensi 791-960MHz, 1710-2170MHz, 2300-1400MHz, dan 2500-2969MHz.
Umumnya, ground plane harus berukuran 100mm atau lebih untuk perangkat yang menggunakan frekuensi di bawah 1GHz. Di AS, frekuensi 4G menggunakan pita serendah 698MHz atau bahkan 617MHz seperti halnya dengan pita B71 T Mobile yang membutuhkan ground plane bahkan lebih panjang dari 100mm.
Menempatkan antena pada PCB-nya
Selanjutnya, kita harus mempertimbangkan posisi antena pada PCB dan penempatannya dalam kaitannya dengan komponen lain. Antena harus ditempatkan pada posisi terbaik dalam keseluruhan tata letak RF dan susunan PCB agar dapat memancar secara efektif.
Setiap antena individu dirancang untuk bekerja secara efisien di beberapa tempat pada PCB. Ini sering merupakan sudut atau tepi, namun setiap antena berbeda, jadi penting untuk memilih antena yang sesuai dengan desain dan menempatkannya sesuai dengan rekomendasi pabrikan untuk antena tersebut.
Gambar 2 menunjukkan bagaimana antena ditempatkan dengan area bebasnya di perangkat kecil seperti produk yang dapat dikenakan atau jam tangan.
Gambar 2. (Sumber:Antenova Ltd)
Gambar 3 menunjukkan penempatan antena yang sesuai untuk desain jam tangan. Desain mempertahankan jarak bebas yang direkomendasikan yang ditentukan di atas dan di bawah antena ini, yang ditunjukkan dengan warna merah.
Gambar 3. (Sumber:Antenova Ltd)
Jangan letakkan komponen yang berisik, seperti baterai atau LCD di dekat bagian antena. Antena adalah komponen pasif yang menerima energi dan akan menangkap derau yang dipancarkan dari komponen derau, dan mentransfer derau itu ke radio, sehingga menurunkan sinyal yang diterima. Antena juga harus ditempatkan jauh dari tubuh manusia untuk meningkatkan kinerja RF, ini adalah jarak yang ditandai dengan warna biru pada Gambar 3 di atas.
Susunan umpan RF dan koneksi ground sangat penting untuk fungsi antena. Dengan antena tertanam kecil di PCB kecil, jejak tembaga yang terukir pada PCB dapat menjadi bagian integral dari antena sehingga harus diperhatikan untuk mengikuti spesifikasi atau desain referensi pabrikan.
Keseluruhan tata letak RF dan susunan PCB
Anda dapat memaksimalkan kinerja antena dengan mempertimbangkan dengan cermat tata letak elemen RF dalam desain. Ground plane tembaga tidak boleh dipotong-potong atau disusun lebih dari satu lapisan, maka bagian ground plane antena akan dapat memancar lebih efektif.
Sangat penting untuk menjaga komponen seperti LCD atau baterai bersih dari area antena di tata letak PCB, karena ini dapat mengganggu cara antena akan memancarkan.
Untuk frekuensi multiband, kami menyarankan tata letak PCB dengan minimal empat lapisan.
Gambar 4 menunjukkan bagaimana lapisan atas dan bawah menyediakan bidang dasar, sedangkan sinyal digital dan daya yang harus berada jauh dari bidang dasar, berjalan di ruang antara keduanya.
Gambar 4. (Sumber:Antenova Ltd)
Menyetel antena untuk performa
Untuk kasus di mana ground plane lebih pendek dari ideal, perancang dapat melihat teknik lain untuk meningkatkan kinerja antena tertanam.
Salah satu caranya adalah dengan menyetel antena untuk negara operasinya. Rentang frekuensi 4G sangat luas, mulai dari 698MHz hingga 2690MHz, tetapi setiap wilayah dunia yang berbeda hanya menggunakan sebagian dari pita ini, dan antena hanya dapat beroperasi pada satu frekuensi pada satu waktu. Ini berarti bahwa ketika suatu produk akan digunakan di satu wilayah geografis, produk tersebut dapat disetel untuk beroperasi di bagian pita frekuensi yang lebih sempit. Ini akan meningkatkan kinerja antena.
Teknik lain adalah dengan menyertakan jaringan penyetelan aktif, yang secara efektif merupakan rangkaian switching RF tambahan, yang akan membantu mengatasi pengurangan bandwidth yang disebabkan oleh ground yang lebih kecil di mana PCB host kurang dari 75mm. Sirkuit pencocokan PI ditambahkan di dekat titik umpan antena, untuk menyempurnakan antena dan meningkatkan kinerja. Desain sirkuit yang cocok biasanya memerlukan bantuan dari spesialis RF.
Gambar 5 menunjukkan sirkuit yang cocok pada papan evaluasi antena.
Gambar 5. (Sumber:Antenova Ltd)
Merancang saluran transmisi
Setelah bahan untuk PCB dipilih dan ketebalan serta konstanta dielektriknya diketahui, saluran transmisi co-planar dapat dirancang menggunakan salah satu paket perangkat lunak desain jejak RF yang tersedia secara komersial. Ini akan menggunakan ketebalan PCB, pemisahan lapisan tembaga dan konstanta dielektrik substrat untuk menghitung lebar optimal untuk saluran transmisi dan celah yang sesuai di kedua sisi untuk mencapai saluran transmisi co-planar 50 .
Semua saluran transmisi harus dirancang untuk memiliki impedansi karakteristik 50Ω, dan bagian lain dari sistem RF, seperti transceiver atau amplifier daya juga harus dirancang dengan impedansi 50Ω.
Antenova menawarkan alat kalkulator saluran transmisi RF gratis untuk membantu perancang menentukan ukuran saluran transmisi.
Faktor lain
Mungkin ada lebih dari satu antena, beroperasi pada frekuensi yang berbeda pada PCB yang sama tetapi ditempatkan pada jarak yang dekat. Jika antena adalah sistem penerima saja, seperti penerima GPS, antena tersebut dapat dideteksi oleh antena pemancar terdekat seperti radio 4G yang mengurangi keakuratan sistem GPS. Harus berhati-hati untuk memisahkan sistem antena ini baik dengan jarak fisik antara antena – memastikan antena saling ortogonal – atau dengan membentuk bidang tanah untuk menghilangkan arus tanah yang dibagi di antara antena.
Dalam sistem multiple input, multiple output (MIMO), desain akan membutuhkan lebih dari satu antena, yang harus ditempatkan dengan satu relatif ke yang lain sehingga mereka dapat hidup berdampingan. Kemudian mereka dapat dicocokkan dengan frekuensi yang sama. Sangat penting bahwa antena ditempatkan untuk memastikan bahwa isolasi dan korelasi silang berada dalam batas yang dapat diterima. Seperti disebutkan di atas, harus berhati-hati untuk memisahkan antena di perangkat baik dengan jarak fisik antara antena, memastikan antena ortogonal satu sama lain atau dengan membuat ground plane di antara antena untuk menghilangkan arus ground yang dibagi antara antena. antena.
Gambar 6 menunjukkan konfigurasi kedekatan untuk keragaman.
Gambar 6. (Sumber:Antenova Ltd)
Gambar 7 menunjukkan konfigurasi yang berlawanan untuk keragaman.
Gambar 7. (Sumber:Antenova Ltd)
Casing luar tidak boleh mengandung logam yang dekat dengan antena, tetapi pelapis logam tertentu dapat diterima karena tidak menghantarkan energi secara efektif. Benda logam di dekat antena dapat menyebabkan frekuensi antena bergeser lebih rendah frekuensinya. Ini juga dapat mengurangi jumlah bandwidth yang dirancang untuk dioperasikan oleh antena. Masalah lain dengan benda logam di dekat antena adalah bahwa benda logam menghalangi sinyal ke arah logam ditempatkan mengurangi pola radiasi secara keseluruhan dan mungkin menyebabkan sinyal turun cukup untuk kehilangan koneksi dengan stasiun pangkalan.
Kesimpulan
Jika desain produk akan menyertakan antena, terutama jika menggunakan PCB kecil, kami sarankan untuk memilih antena terlebih dahulu, dan menempatkannya terlebih dahulu di PCB. Lebih mudah melakukannya dengan cara ini daripada memasukkan antena ke dalam desain yang sudah jadi. Memikirkan antena terlebih dahulu biasanya merupakan cara tercepat untuk mencapai desain di mana elemen RF bekerja sebagaimana mestinya.
Ini akan meningkatkan kemungkinan mendapatkan persetujuan jaringan untuk perangkat. Antena perlu beroperasi secara efisien jika ingin mendapatkan persetujuan dan aturannya ketat. Namun, AT&T memang mengizinkan perangkat yang lebih kecil dari 107mm dan menurunkan ambang batas efisiensi untuk perangkat yang lebih kecil ini.
