Антенна для платы: чип, гибкая (FPC) и печатная — как выбрать встраиваемую антенну

Три вида встраиваемых антенн

Внутри корпуса прибора применяют три конструкции. Чип-антенна — керамический элемент для поверхностного монтажа, который паяется оплавлением вместе с остальными компонентами. Гибкая антенна FPC — печатный проводник на полиимидной плёнке с клеевым слоем и микрокоаксиальным кабелем; её клеят на внутреннюю стенку корпуса. Печатная антенна — рисунок меди на плате: либо на основной плате прибора, либо на отдельной плате с разъёмом.

Схема показывает общее для всех трёх: антенна работает не сама по себе, а вместе с землёй платы и окружением. Поэтому одна и та же антенна на оценочной плате и в вашем изделии даёт разные полосу и усиление.

Чип-антенна SMD

KADAMM ACH-24 — керамические чип-антенны 2400–2500 МГц для Wi-Fi, Bluetooth и ZigBee: 11 исполнений в типоразмерах 1608, 2012, 3216, 5020 и 5220. Самая компактная ACH-24-1608 (1,70 × 0,93 мм) даёт 2,28 дБи, крупные корпуса — до 5,54 дБи пикового усиления; КПД по исполнениям — от 50 до 85,6 %. Полоса не менее 85–120 МГц перекрывает каналы Wi-Fi 1–13. Поставка на ленте для автоматического монтажа.

Земля и клиренс

Чип-антенна возбуждает токи в земле платы, и земля излучает вместе с ней. Отсюда требования:

• антенну ставят на край или угол платы, излучающей стороной наружу;
• под антенной и вокруг неё — зона без меди на всех слоях (клиренс); размеры зоны и расположение антенны указаны в документации на исполнение;
• длина земли платы вдоль края влияет на резонанс: на 2,45 ГГц четверть длины волны в свободном пространстве — около 31 мм, короткая плата сужает полосу;
• рядом — согласующая цепь (П- или Г-звено), номиналы подбирают на готовой плате по измерению КСВН;
• линия от радиомодуля — 50 Ом, как можно короче, без переходных отверстий.

Гибкая антенна FPC на кабеле IPEX

Гибкую антенну наклеивают на внутреннюю поверхность пластикового корпуса и подключают к модулю кабелем с разъёмом IPEX (U.FL). KADAMM AFP-24-100 — 2400–2500 МГц, 5 дБи, размер 32 × 49 мм, кабель 100 мм. KADAMM AFP-24-240 — 2,4 ГГц, 2 дБи, длина 45,8 мм, кабель 240 мм. У обеих КСВН не более 2,0 и микрокоаксиальный кабель 1,13 мм.

Зачем кабель 1,13 мм

Кабель позволяет унести антенну от экранов, аккумулятора и процессора к стенке корпуса, где ей ничего не мешает. Тонкий кабель гибкий и проходит между платами, но его затухание на метр заметно больше, чем у толстого: на длине 100–240 мм потери малы, длинный тонкий кабель уже съедает часть усиления. Кабель не перегибают у разъёма IPEX — этот разъём рассчитан на ограниченное число подключений.

Печатная антенна

Печатная антенна на основной плате (меандр, перевёрнутая F) ничего не стоит в комплектации, но занимает площадь платы и требует тех же зоны без меди и отладки, что и чип. Отдельная печатная антенна решает другую задачу — широкую полосу. KADAMM AVV-0660 — печатная антенна Вивальди 600–6000 МГц с двойной поляризацией, размер 95 × 86 × 1 мм, разъём SMA; КСВН нормирован в диапазоне 1000–6000 МГц, на 600–1000 МГц — уточняйте у менеджера. Её ставят в корпус терминала или измерительного прибора, когда одной антенной нужно закрыть LTE, Wi-Fi 2,4 и 5 ГГц.

Расстройка корпусом

Диэлектрик корпуса рядом с антенной увеличивает её электрическую длину: резонанс сдвигается вниз по частоте. Металл ближе нескольких миллиметров отражает и поглощает энергию. На практике:

• отладку согласования делают в собранном изделии, с крышкой и аккумулятором;
• гибкую антенну клеят вдали от металла, аккумулятора и экранов;
• металлический корпус для встроенной антенны непригоден — антенну выносят наружу через разъём или окно в корпусе;
• рука пользователя и крепление на стену тоже расстраивают антенну — запас по полосе закладывают заранее.

Полосы: 2,4 ГГц, 5 ГГц, ГНСС и LTE

Для ГНСС чип-антенна с линейной поляризацией работает хуже патча: сигнал спутников имеет правую круговую поляризацию. KADAMM GPP-L1 — пассивные керамические патч-антенны GPS L1 1575,42 МГц, 7 типоразмеров от 8 до 25 мм, КСВН не более 1,5, полоса 10 МГц; чем больше патч, тем лучше приём при слабом сигнале. Патч ставят излучающей стороной к небу. Если приёмник далеко от антенны или сигнал слабый, нужна активная антенна с усилителем — о них в статье об антенне GPS и ГЛОНАСС.

Как проверить антенну в готовом изделии

Паспортные полоса и усиление встраиваемой антенны получены на оценочной плате или в свободном пространстве. В изделии их подтверждают тремя измерениями:

• КСВН или обратные потери на векторном анализаторе цепей через полужёсткий кабель, припаянный вместо радиомодуля; цель — КСВН не более 2,0 во всей рабочей полосе, как в паспорте ACH-24 и AFP-24;
• сдвиг резонанса при закрытом корпусе, с аккумулятором и в руке: если минимум КСВН ушёл вниз по частоте, согласующую цепь перестраивают;
• излучённая мощность и чувствительность модуля в безэховой камере или хотя бы сравнительный тест дальности с эталонным образцом.

Если КСВН в норме, а дальность мала, причина обычно не в антенне, а в окружении: металл рядом, помехи от процессора и импульсного источника питания, экран без зазора над антенной. Такие проблемы решают компоновкой, а не заменой антенны на более «усиленную».

Как выбрать встраиваемую антенну

Частые ошибки

• Медь под чип-антенной. Полигон земли под антенной закорачивает её поле.
• Согласование «по оценочной плате». На своей плате номиналы другие.
• FPC на аккумуляторе. Металл корпуса аккумулятора глушит антенну.
• Длинный кабель 1,13 мм. Потери растут с длиной; кабель держат коротким.

Модели

KADAMM ACH-24

Чип-антенны 2,4 ГГц

11 исполнений 1608–5220, до 5,54 дБи.

Открыть карточку

KADAMM AFP-24-100

Гибкая FPC 2,4 ГГц

5 дБи, кабель 100 мм, IPEX.

Открыть карточку

KADAMM AFP-24-240

Гибкая FPC 2,4 ГГц

2 дБи, кабель 240 мм, IPEX.

Открыть карточку

KADAMM AVV-0660

Печатная Вивальди

600–6000 МГц, двойная поляризация.

Открыть карточку

KADAMM GPP-L1

Патч GPS L1

8–25 мм, круговая поляризация.

Открыть карточку

KADAMM AR-LTE-3

LTE с кабелем IPEX

600–2700 МГц, 3 дБи.

Открыть карточку