Jump to content

    
sigmaN

Как правильно организовать согласование антенны при производстве

Recommended Posts

Добрый день, коллеги.
Мне нужно будет выпустить мелкую серию(несколько сотен шт.) устройств с GSM модулем и чип-антенной на плате. Ну например вот такой https://auroraevernet.ru/upload/iblock/9d8/9d8732be0871a935bdde4f81cbf4e021.pdf
Хотелось бы, в плане согласования антенны, сделать всё правильно. Ну, на сколько это возможно в условиях отсутствия профессионального оборудования. Непрофессиональное тем не менее есть
N1201SA, есть возможность взять Arinst VNA. Понимаю, что точность будет не самая лучшая, но есть ощущение, что такой подход всё-же лучше, чем ничего или чем просто болтающийся в пространстве кусок провода, да ещё и на небольшой плате.(картинка из интернетов) GSM-kontroller_OKO_TINY_2-600x548.jpg

Как правильно подключить прибор к антенне на плате для измерений? Какие разъемы для этого применить?
Или может быть не распаивать GSM модуль, припаять тонкий коаксиальный кабель прямо на плату(предусмотреть для этого футпринт заранее), как это делают китайцы для подключения антенн в wi-fi роутерах. Правда в таком случае не очень понятно как откалибровать векторный анализатор с учетом этого болтающегося в пространстве кабеля без разъема... Вижу проблему с подключением 50 Ом нагрузки для калибровки.

Видел вот такие коннекторы с размыкателем у Murata https://www.murata.com/en-global/products/connector/switchconnector/overview/lineup/swd

Пока не нашел для них ответную часть где приобрести, но думаю это решаемо.
Но опять же: Как откалибровать прибор с таким коннектором? Сделать 3 платы с такими коннекторами для short, open и резистором на 50 Ом для калибровки будет приемлемым решением?

Ну и, по возможности, поделитесь своими соображениями по этому вопросу. Пока есть ощущение, что достаточно будет сделать от GSM модуля к антенне 50 Ом линию, проконтролировать работу антенны приборами, при необходимости согласовать подбором номиналов согласующей цепи. Ну и плату сделать достаточных размеров, чтобы антенне было "на что опереться". Опыта у меня с антеннами очень мало, может быть что-то упускаю...

Share this post


Link to post
Share on other sites
4 часа назад, sigmaN сказал:

Что же делать тогда простым смертным с ручной сборкой и тестированием?

Делайте самым простым способом - по индикатору поля. Максимум отдачи учтёт всё и укорочение и диаметр и габарит платы, это к рисунку платы с хвостиком. Настройте в одном изделии антенну по максимуму поля, а всё остальное под копирку.

Edited by rfserg

Share this post


Link to post
Share on other sites
5 часов назад, sigmaN сказал:

Как правильно подключить прибор к антенне на плате для измерений? Какие разъемы для этого применить?

никак, антенной является корпус (земляной полигон) устройства. профессиональное оборудование тоже никак не поможет

Скрытый текст

970466_original.gif

Чисто теоретически вы можете создать "весо-габаритный макет" своего изделия, проложить по нему ко-планарную полосковую линию, сделать коаксиально-полосковый переход (впаять SMA коннектор кошерный), и отвести в сторону коаксиальным кабелем к векторнику. 

Но такой подход не покажет реального положения вещей сразу по многих причинах:

1) на субстратах типа FR4 все параметры непредсказуемы, копланарная линия будет не 50 Ом и вообще не гомогенна по длине

2) поляризация излучения системы "земляная плата + чип" непредсказуема и нелинейна. В какую бы сторону не сделать отво кабеля - он будет в одной плоскости с Е-вектором поля и сильнейшим образом влиять на функционирование антенны (как на ДН так и на согласование)

3) в месте крепления SMA коннектора земля всё ещё будет "горячей". При соединении оплётки кабеля к такой земле без балуна (устройства создающего сопротивление синфазному току) по внешней стороне оплётки потечет некоторая часть тока. Это снова повлияет как на режим работы антенны (и ДН дальнего поля и на ближнее реактивное поле) так и согласования.

Edited by yurik82

Share this post


Link to post
Share on other sites

Для такого случая какие-нибудь калибровочные режимы у GSM модулей Quectel или Simcom предусмотрены? Надо будет повнимательнее почитать документацию.
Просто если пойти путем измерения поля то нужно быть уверенным в том, что антенна запитана нужной частотой и мощность передатчика заранее известна ну или хотя-бы точно не меняется во времени. В обычных условиях то передатчик GSM будет мощность крутить по своему усмотрению и эксперимент провалится.
Если такого режима у модуля нет то возникнет практически та-же проблема с подключением внешнего генератора к антенне.... Круг замкнулся :(

Share this post


Link to post
Share on other sites
28 минут назад, sigmaN сказал:

Для такого случая какие-нибудь калибровочные режимы у GSM модулей Quectel или Simcom предусмотрены? Надо будет повнимательнее почитать документацию.
Просто если пойти путем измерения поля то нужно быть уверенным в том, что антенна запитана нужной частотой и мощность передатчика заранее известна ну или хотя-бы точно не меняется во времени. В обычных условиях то передатчик GSM будет мощность крутить по своему усмотрению и эксперимент провалится.
Если такого режима у модуля нет то возникнет практически та-же проблема с подключением внешнего генератора к антенне.... Круг замкнулся :(

В качестве "индикатора поля" конечно нужно использовать анализатор спектра, настроенный на диапазон Up (880-915/1710-1785). Посылки при обращении к модему будут короткие, но амплитуду увидеть можно. Причём только так можно точно настроить встроенные антенны, т.к. в настройке участвует всё, плата провода питания и всё, что в ближней зоне. Тестовые разъёмы не помогут, при подключении тестовых щупов условия антенны сильно меняются. Разъёмы ставят для оперативного тестирования ВЧ параметров модема в готовом изделии или для переключения на внешнюю антенну.

Edited by rfserg

Share this post


Link to post
Share on other sites

http://ww1.microchip.com/downloads/en/AppNotes/Atmel-42732-Antenna-Tune-Up_ApplicationNote_AT16802.pdf

А микрочиповцы вон "не парятся" - подключают кабель, измеряют векторником. Для контроля дополнительно измеряют излучение антенны до и после. Запитывают чип антенну от генератора внешнего. В итоге аж +9dB на согласовывали.
 

11 minutes ago, rfserg said:

В качестве "индикатора поля" конечно нужно использовать анализатор спектра, настроенный на диапазон Up (880-915/1710-1785). Посылки при обращении к модему будут короткие, но амплитуду увидеть можно.

Согласен. Смущает только то, что GSM модуль может играться с мощностью передатчика в зависимости от BER или по любому другому поводу. Т.е. как минимум надо как-то взять мощность передатчика под контроль.

Share this post


Link to post
Share on other sites
19 минут назад, sigmaN сказал:

http://ww1.microchip.com/downloads/en/AppNotes/Atmel-42732-Antenna-Tune-Up_ApplicationNote_AT16802.pdf

А микрочиповцы вон "не парятся" - подключают кабель, измеряют векторником. Для контроля дополнительно измеряют излучение антенны до и после. Запитывают чип антенну от генератора внешнего. В итоге аж +9dB на согласовывали.
 

Согласен. Смущает только то, что GSM модуль может играться с мощностью передатчика в зависимости от BER или по любому другому поводу. Т.е. как минимум надо как-то взять мощность передатчика под контроль.

Ступенчатые изменения мощности хорошо видны, мешать не будут. Либо в погреб (безэховая камера :))), там выйдет на полную.

Share this post


Link to post
Share on other sites

Для правильного согласования модуля нужно понимать больше чем вы изложили. Где в каких условиях будет работать, какое окружение будет и тд. С той антенной кпд 30% в лучшем случае при правильном согласовании и подстроечных. Без измерения той антенны на плате (без модуля) не обойтись. Имея опыт можно по уровню RSSI делать оценку, зная уровень, например от других GSM модулей с антенной. Методом сравнения. В вашем случае без опыта и приборов сплошной риск, уж десяткам аналогичных вашему проектов c SIM800 исправлял антенную часть, согласование, питание, разводку.    

Share this post


Link to post
Share on other sites

В какое окружение прибор разместят сказать заранее конечно сложно.... Можно даже сказать, что на это существенно повлиять будет невозможно - засунут его куда смогут и как получится )
Я исхожу из того, чтобы сделать как можно лучше  в положении  "на столе", а там уже жизнь покажет. Чип антенну выбрал вместо самодельной PCB антенны именно из соображений снижения рисков.

Чисто практический подход из опубликованного мною выше аппнота микрочипа в целом мне понравился, примерно так я себе всё это и представлял.
Если отбросить чисто академический подход(где можно будет справедливо заявить, что и кабель влияет и неоднородность диэлектрика самой платы и т.д.) и действовать с чисто практической точки зрения то описанный в аппноте подход даст результат?

Если не секрет от как действовали Вы в процессе согласования антенн? Как подключали анализатор к плате? Как калибровались?

P.S. Разводка и питание понятно - эти вопросы вне данного топика.

Share this post


Link to post
Share on other sites
2 часа назад, sigmaN сказал:

А микрочиповцы вон "не парятся" - подключают кабель, измеряют векторником.

так у них плата огромная, полторы лямбды шириной.и антенну на симметричном "подмосте" разместили, а сам подмост примерно симметрично самой плате.

Поляризация там будет смешанная (эллиптическая), но обе оси поляризации будут в плоскости самой платы, поэтому если провод питания отвести перпендикулярно в сторону - влияние будет минимизировано.

У вас же плата в 6 раз меньшей площади, а длина волны в 3 раза выше. Никакой симметрии, вывод питания в углу платы.

 

Ко-планарную линию 50 Ом они используют не только для измерений, но и в конечном устройстве. Т.е. все её отклонения от 50 Ом и вносимую трансформацию они учитывают при настройке антенны, потому что эта же линия будет и в конечном устройстве.

В вашем устройстве такой линии длиной более пол-лямбды нет (более 12 вакуумных сантиметров или более 8 гетинаксовых сантиметров).

Если специально создать "весо-габаритный имитационный макет" и там вытравить такую линию - то в конечном устройстве всё равно этой линии не будет. Если вы учтёте фактическое влияние такой линии, то в конечное устройство она у вас не попадёт. А у Atmel попала.

 

Также они используют устройство с батарейным питанием или подачу питания на большом удалении от антенны (у них площадь платы в 6 раз больше, а соотношение длины волны к площади в 18 раз больше).

А на вашей фотографии клеммник под большое количество внешних проводов рандомной длины и рандомной топологии. Расстояние от места крепления чип-антенны до клеммника 1/10 лямбды?

Edited by yurik82

Share this post


Link to post
Share on other sites
25 minutes ago, yurik82 said:

У вас же плата в 6 раз меньшей площади, а длина волны в 3 раза выше.

Наверно лучше удалить эту фотографию, я смотрю она только путает людей. Это просто фотка из интернетов, я привёл её как пример, что лучше уж я поставлю чип антенну и сделаю плату побольше + измерю всё хоть и не профессиональными приборами но хоть какими-то, чем вот такой болтающийся в пространстве проводок делать на маленькой плате.  Я эту фотку привёл для сравнения. Для иллюстрации того как делать не буду и хочу сделать лучше.

У меня же планируется размер платы общий 100mm * 65mm. Чип антенна например вот такая https://auroraevernet.ru/upload/iblock/9d8/9d8732be0871a935bdde4f81cbf4e021.pdf
Окончательно  антенна пока не выбрана, но так для понимания, что это будет керамическая чип антенна с понятными заявленными характеристиками и болтаться в пространстве она, как тот проводок, не будет.

Итого получается ground plane у меня приближается к 1/4 лямбды для 900МГц. Что, как я рассудил, уже более-менее прилично и приемлемо(если я ошибаюсь то поправьте).
50 Ом линию от модуля до антенны сделать вполне себе можно и это даже предписано даташитом на антенну. Ну будет она короткая, это вроде  не плохо, а наоборот даже хорошо.

1839203452_.thumb.png.aa4e0651ba55d1be842b4e1b5da114b3.png
Изначально план у меня такой был: ставлю  антенну по даташиту на плату, в линию поближе к GSM модулю ставлю коннектор с размыкателем(только вот беда с этим, тут выше говорят, что эти коннекторы не подходят для ручного подключения и можно проблем с ними получить) и дальше действую по аппноту микрочиповскому.

План рабочий или я до сих пор слишком наивен?
Если план рабочий то остаётся тогда открытым вопрос какие коннекторы выбрать и как это всё подключить к векторному анализатору чтобы сильно при этом не накосячить и не измерить случайно температуру на Марсе вместо SWR :)
 

Share this post


Link to post
Share on other sites

Добрый день,sigmaN. Я этой темой занимался для своего производства месяц назад. Для двух антенн( нижнего-900 и верхнего 1800 диапазонов) выделил на краю платы из FR4 участок размером 43*30 мм и разработал две антенны с фильтровым сумматором. Собрал измерительный стенд и настроил антенны с небольшой коррекцией геометрии. Теперь вторую итерацию настроенной геометрии будем запускать в производство.

Share this post


Link to post
Share on other sites
7 минут назад, uve сказал:

Добрый день,sigmaN. Я этой темой занимался для своего производства месяц назад. Для двух антенн( нижнего-900 и верхнего 1800 диапазонов) выделил на краю платы из FR4 участок размером 43*30 мм и разработал две антенны с фильтровым сумматором. Собрал измерительный стенд и настроил антенны с небольшой коррекцией геометрии. Теперь вторую итерацию настроенной геометрии будем запускать в производство.

А измеряли векторником или анализатором?

Share this post


Link to post
Share on other sites

Join the conversation

You can post now and register later. If you have an account, sign in now to post with your account.

Guest
Reply to this topic...

×   Pasted as rich text.   Paste as plain text instead

  Only 75 emoji are allowed.

×   Your link has been automatically embedded.   Display as a link instead

×   Your previous content has been restored.   Clear editor

×   You cannot paste images directly. Upload or insert images from URL.