Mengoptimalkan Performa Nirkabel pada PCB Kecil untuk Perangkat Mobile

Permintaan akan perangkat nirkabel kecil semakin meningkat di pasar konsumen—wearable, gadget medis, pelacak—dan sektor industri seperti pencahayaan, keamanan, dan manajemen bangunan. Sejak footprint produk menyusut, PCB yang menempatkan antena mereka menjadi lebih kecil, memaksa desainer untuk bekerja dengan ground plane yang terkurangi dan anggaran daya yang ketat untuk perangkat yang didayakan baterai.

Mengatasi tantangan ini sangat penting karena setiap desain akhir harus melalui sertifikasi jaringan dan pemerintah resmi sebelum dapat beroperasi di jaringan operator. Antena yang tidak optimal dapat gagal sertifikasi, memancarkan ulang noise perangkat, atau menghasilkan interferensi yang membahas ambang transmisi dan penerima—terutama ketat di Amerika Serikat, di mana badan regulasi menuntut metrik performa yang presisi.

Antena listrik kecil yang beroperasi di bawah 1 GHz idealnya memerlukan panjang ground plane 100 mm atau lebih untuk mencapai efisiensi yang dapat diterima. Ground plane yang lebih pendek menurunkan efisiensi, menggerakkan konsumsi daya lebih tinggi dan membuat sulit untuk memenuhi persetujuan jaringan. Akibatnya, desainer harus mencukupi ruang untuk ground plane yang kuat sambil masih menempatkan semua komponen pada PCB miniatur.

Aturan umum ini berlaku untuk perangkat IoT, pelacak, dan kebugaran umum yang biasanya beroperasi di bawah 1 GHz.

Perangkat wearable dan medis menantang ekstra karena tubuh manusia meredam sinyal RF. Penempatan antena harus meminimalkan efek blokir tubuh, yang berarti pertimbangan yang cermat terhadap orientasi dan jarak dari tubuh.

Beberapa wearable sempit hingga 50 mm, dan beberapa produk bahkan men-host beberapa antena.

Beberapa faktor mempengaruhi performa antena di perangkat kecil. Ukuran ground plane adalah yang terpenting, tetapi desainer juga perlu menempatkan antena dengan benar, menghindari komponen noisy atau logam di dekatnya, dan memilih bahan enclosure yang sesuai.

Antena Tersemat – Cara Kerjanya

Antena chip tersemat menggunakan satu radiator; permukaan PCB bertindak sebagai lengan kedua dipole. Jika PCB terlalu pendek, antena tidak dapat berezonansi secara efisien.

Rezonansi terikat pada panjang gelombang: monopole gelombang setengah pada 916 MHz memerlukan ground plane sekitar 87 mm—praktis untuk desain permukaan-terpasang. Desainer sering menganggap ground plane sebagai lengan setengah gelombang yang hilang, menjadikan monopole gelombang setengah pilihan paling populer untuk perangkat kompakt.

Panjang Ground Plane

Untuk efisiensi optimal, ground plane harus setidaknya seperempat dari panjang gelombang operasi. Pada frekuensi di bawah 1 GHz, ini berarti panjang ground plane 100 mm atau lebih.

Gambar 1 mengilustrasikan bagaimana efisiensi menurun secara tajam saat ground plane disempitkan, di seluruh band dari 794 MHz hingga 2.69 GHz.

Gambar 1. (Sumber: Antenova Ltd)

Pengukuran ini berasal dari antena chip 3G/4G yang mencakup 791–960 MHz, 1710–2170 MHz, 2300–1400 MHz, dan 2500–2969 MHz. Untuk operasi sub-1 GHz, ground plane 100 mm biasanya diperlukan. Di AS, band 4G seperti 698 MHz atau B71 T-Mobile pada 617 MHz menuntut ground plane yang lebih panjang.

Menempatkan Antena pada PCB

Penempatan dalam tata letak RF dan susunan lapis PCB adalah kritis. Banyak antena berperforma terbaik di sudut atau tepi, tetapi rekomendasi spesifik tergantung pada lembar data produsen.

Gambar 2 menunjukkan contoh ruang bersih di sekitar antena pada PCB wearable atau jam tangan.

Gambar 2. (Sumber: Antenova Ltd)

Gambar 3 menunjukkan penempatan yang sesuai untuk jam tangan, menghormati zona ruang bersih yang ditandai merah.

Gambar 3. (Sumber: Antenova Ltd)

Hindari menempatkan komponen noisy—baterai, LCD—di dekat antena. Noise yang tersalur ke antena menurunkan sinyal yang diterima. Jaga antena dari tubuh; zona biru di Gambar 3 menunjukkan pemisahan optimal.

Ketika jejak tembaga membentuk bagian antena, ikuti desain referensi produsen dengan cermat untuk memastikan pemakanan RF dan grounding yang tepat.

Tata Letak RF dan Susunan Lapis PCB Keseluruhan

Maksimalkan performa antena dengan menyusun elemen RF dengan hati-hati. Hindari memotong ground plane dengan jejak atau menyebarkannya di beberapa lapis; ground plane yang berkelanjutan memungkinkan antena untuk memancar lebih efektif.

Jaga komponen seperti LCD dan baterai dari area antena untuk mencegah interferensi.

Untuk operasi multi-band, PCB empat lapis direkomendasikan. Gambar 4 menunjukkan susunan lapis yang typikal: lapis atas dan bawah menyediakan ground plane padat, sementara sinyal digital dan routing daya menempati lapisan perantara.

Gambar 4. (Sumber: Antenova Ltd)

Menyesuaikan Antena untuk Performa

Jika ground plane tidak dapat mencapai panjang ideal, pertimbangkan alternatif ini:

• Penyesuaian spesifik wilayah. Sempitkan band operasional antena untuk cocok dengan alokasi 4G negara tertentu, meningkatkan efisiensi.
• Jaringan tuning aktif. Tambahkan jaringan pencocokan PI di dekat titik pemakanan untuk mengkompensasi kehilangan bandwidth pada ground plane kecil (< 75 mm). Spesialis RF sering membantu merancang rangkaian ini.

Gambar 5 menampilkan jaringan pencocokan pada papan evaluasi.

Gambar 5. (Sumber: Antenova Ltd)

Merancang Garis Transmisi

Setelah bahan, tebal, dan konstanta dielektrik PCB ditentukan, garis transmisi co-planar dapat dirancang menggunakan alat jejak RF standar. Ini memastikan impedansi karakteristik 50 Ω yang cocok dengan transceiver dan amplifier daya.

Antenova menawarkan kalkulator garis transmisi RF gratis untuk membantu desainer.

Pertimbangan Tambahan

Ketika beberapa antena berbagi PCB, pemisahan spasial dan orientasi ortogonal esensial untuk memastikan isolasi. Untuk sistem MIMO, tata letak yang cermat menjaga cross-correlation rendah.

Gambar 6 menunjukkan konfigurasi kedekatan untuk diversitas.

Gambar 6. (Sumber: Antenova Ltd)

Gambar 7 mengilustrasikan konfigurasi berseberangan untuk diversitas.

Gambar 7. (Sumber: Antenova Ltd)

Enclosure harus menghindari bagian logam di dekat antena; bahkan lapisan logam dapat menggeser rezonansi dan mengurangi bandwidth. Kedekatan logam juga dapat memblokir radiasi dan menurunkan pola keseluruhan.

Kesimpulan

Saat menyematkan antena dalam desain PCB kecil, mulailah dengan memilih antena dan menempatkannya terlebih dahulu. Pendekatan “antena-pertama” ini memastikan performa RF dioptimalkan sebelum komponen lain ditambahkan, sangat meningkatkan kemungkinan persetujuan operator yang sukses. Sementara badan regulasi menetapkan persyaratan efisiensi yang ketat, AT&T telah mengurangi ambang untuk perangkat yang lebih kecil dari 107 mm.

Mengadopsi pedoman ini membantu desainer menciptakan produk nirkabel yang kompakt, efisien, dan mematuhi peraturan.