[makc 231]

Приветствую участников форума,

Возникла проблема согласования импеданса чип-антенны YC0009AA на весьма компактной плате с размерами 13.2x53.4 мм. Топология области антенны первого образца платы выглядит следующим образом:

Спойлер

Стекап:

В процессе измерения импеданса в точке подключения C45 было на частоте 2440 МГц получено очень низкое значение импеданса, почти не отличимое от КЗ. Таким образом получается, что согласовать подобную антенну и получить импеданс около 50 Ом на мой взгляд практически невозможно.

В рекомендациях производителя антенны приведена эталонная рекомендуемая конструкция платы:

Спойлер

Однако повторить точно такую же топологию антенны и полигона вокруг неё на моей плате весьма затруднительно, к тому же была найдена статья, которая в подробностях рассказывает о роли полигона земли в процессе работы антенны: Ceramic Antenna Magic MWJournal Draft.pdf

Практические эксперименты показали, что уменьшение площади выреза около антенны на имеющихся образцах плат приводит к увеличению импеданса до величин порядка 30 Ом в действительной части с этим уже казалось бы можно было работать. Но поскольку все эти модификации были сделаны с помощью проводков и паяльника, то из них практически невозможно сделать вывод о том, какая на практике должна быть конфигурация выреза около антенны.

В процессе поиска подобных маленьких плат с Bluetooth чип-антеннами была найдена плата, использующая антенну ACA‐2012‐A1‐CC‐S для которой производитель приводит заметно более компактные параметры выреза, которые бы меня вполне устроили в текущих условиях, но это другая антенна с другими параметрами и бездумно повторять эту топологию категорически не хочется:

Спойлер

В связи с этим передо мной стоит главный вопрос: как правильно спроектировать (рассчитать) геометрию для размещения чип-антенны на плате с малыми габаритами? Как вы решаете подобные задачи?
Возможно есть какие-то общие рекомендации по проектированию подобных антенных узлов? Мне, правда, их пока найти не удалось.

 

[Sokrat 5]

Очень интересно, а как проводились измерения в точке подключения С45? Разъёмов подключения у вас там не видно...

[makc 231]

7 минут назад, Sokrat сказал:

Очень интересно, а как проводились измерения в точке подключения С45?

С помощью припаянного тонкого коаксиала (пигтейла). SOL калибровка VNA проводилась на конце этого кабеля с помощью перемычек из двух резисторов 0402 100 Ом 1% (L) и короткой толстой перемычки (S). После чего кабель аккуратно припаивался центральной жилой к КП C45, а экран сажался рядом на зачищенный земляной полигон. Далее на место C47 устанавливался резистор 0 Ом, перевёрнутый пузом кверху и с помощью настройки Port Extension у VNA вводилась дополнительная коррекция Electric delay для получения корректной точки КЗ на диаграмме Смита. После этого резистор с позиции C47 снимался, устанавливался на место L5 и проводилось измерение импеданса антенны.

7 минут назад, Sokrat сказал:

Разъёмов подключения у вас там не видно...

Была мысль паять туда U.FL, но их не купили и пришлось выкручитьваться подручными средствами. Плата маленькая, SMA поставить некуда. 😉

[Aner 8]

Этот тип антенн, не совсем антенна в классическом понимании, скорее это резонатор, или возбудитель-резонатор. Они становятся антеннами на плате с соответствующей медной площадью. Излучение в ближнюю зону и далее делает периметр граунда земли. Его правильность решает все. На ваших скринах, что приводите это видно четко. У вас на первой картинки оч тонкая дорожка, это проблема. И чем меньше площадь меди, тем и меньше периметр. Есть четкая зависимость какой периметр граунда, такой и кпд таких антенн. Согласование по волновому таких антенн вторично, кпд первично. Задав размеры платы, можно понять ( для соотв. частоты) макс кпд. Конструктивно рекомендации предложены, идея возбудить периметр граунда. Расчет в CST не проблема, но не дешево. Разрабатывал аналогичные антенны использовал реонаторы от Pulse. Все получается без проблем, но вылезти за рамки с малой площадью это врядли. Получить кпд 50% это оч хорошо для таких антенн, но думаю важнее получить хорошую диаграмму.    

[makc 231]

5 минут назад, Aner сказал:

Этот тип антенн, не совсем антенна в классическом понимании, скорее это резонатор, или возбудитель-резонатор. Они становятся антеннами на плате с соответствующей медной площадью. Излучение в ближнюю зону и далее делает периметр граунда земли. Его правильность решает все. На ваших скринах, что приводите это видно четко. У вас на первой картинки оч тонкая дорожка, это проблема.

Это я понимаю, в новой ревизии будет не так: будет больше меди и вырез заметно меньше. Но, кстати, как вы считаете исходя из своего опыта, на сколько критично для работы антенны будет поворот её на градусов по часовой стрелки относительно текущего положения? С моей точки зрения это будет некритично, зато получится дать больше меди по периметру.

Второй вопрос это форма трассы, которая замыкает фидер антенны на землю образуя петлю вместе с контактной площадкой антенны? Есть ли какие-нибудь рекомендации на эту тему исходя из опыта и теории? Я пока склоняюсь к мысли, что это проблема второго порядка по сравнению с параметрами выреза и получаемого резонанса.

9 минут назад, Aner сказал:

И чем меньше площадь меди, тем и меньше периметр. Есть четкая зависимость какой периметр граунда, такой и кпд таких антенн.

Где можно почитать про эту зависимость? В вышеприведённой статье есть данные по зависимости частоты резонанса, которая смещается вправо (в сторону высших частот) при сокращении размера выреза. Но там довольно малый набор данных, по которому полную картину этой зависимости составить не получается.

12 минут назад, Aner сказал:

Согласование по волновому таких антенн вторично, кпд первично. Задав размеры платы, можно понять ( для соотв. частоты) макс кпд. Конструктивно рекомендации предложены, идея возбудить периметр граунда. Расчет в CST не проблема, но не дешево.

В общих чертах мне это понятно, дьявол кроется в деталях. Кстати, на сколько я понимаю, моделирование моделированием, но ещё нужно иметь возможность практической оценки получаемого решения и тут у меня возникает большой вопрос с поиском тех, кто это может сделать в сжатые сроки. Ситуацию ещё более усугубляет размещение платы в пластиковом корпусе с аккумулятором под платой.

15 минут назад, Aner сказал:

Разрабатывал аналогичные антенны использовал реонаторы от Pulse.

Да, у Pulse/Yageo тоже есть такие резонаторы. Но как вы их моделировали, если производитель не даёт для них никаких моделей?
Единственный производитель антенны с доступной для скачивания моделью это Molex 2119640001 - для неё есть модель HFSS. На сколько подобны антенны разных производителей мне пока непонятно. Соответственно можно ли распространить результаты моделирования антенны Molex на Quectel - вопрос открытый. В статье выше вообще приводится мнение, что данные антенны подобны керамическим конденсаторам в корпусе 0805 с ёмкостью около 1.8 пФ. Правда там речь не о Bluetooth, но тем не менее.

19 минут назад, Aner сказал:

Все получается без проблем, но вылезти за рамки с малой площадью это врядли. Получить кпд 50% это оч хорошо для таких антенн, но думаю важнее получить хорошую диаграмму.    

Как вы оценивали КПД и диаграмму на практике?

[Aner 8]

Поищите этот док в инете  -> antenna  Pulse-Ceramics-Basics 2015.pdf

Модель заказчик покупал.

Тут нашел, уже было.

Не знаю как в сжатые сроки решить.

Какие то компромисы, ...  

Измерения в эхо камере не раз делались.

[makc 231]

43 минуты назад, Aner сказал:

Поищите этот док в инете  -> antenna  Pulse-Ceramics-Basics 2015.pdf

Спасибо, нашёл в web archive - https://web.archive.org/web/20210507025116if_/https://pulselarsenantennas.com/wp-content/uploads/2016/09/Pulse-Ceramics-Basics_2015.pdf
Странно, что мне она не попалась в процессе поисков. Теперь стало понятнее. 🙂
Но попутно появился ещё один вопрос относительно вашей практики - на сколько сильно в реальности влияет на КПД длина полигона земли (ground place electrical length)? У меня сейчас плата явно не укладывается ни в 1/3, ни в 1/4 длины волны даже близко (122/52,65 = 2.32), соответственно возникает резонный вопрос к чему и как лучше стремиться в этой части топологии?

Ширина меньше 10 мм, т.е. меньше десятой части длины волны и её вообще, на сколько я понимаю, можно не принимать в расчёт. Т.е. полигон земи для излучаемой волны выглядит практически как штырь длиной 52,65 мм или я заблуждаюсь?

57 минут назад, Aner сказал:

Модель заказчик покупал.

Вот это поворот... В таком случае мы сейчас на это вообще не можем рассчитывать, т.к. из-за санкций мне отвечают что в антеннах используются технологии США, поэтому "на ваши вопросы мы ответить не можем".

56 минут назад, Aner сказал:

Не знаю как в сжатые сроки решить.

Какие то компромисы, ...  

Измерения в эхо камере не раз делались.

У вас был очень фундаментальный подход. 👍

[Aner 8]

Да нет обычный подход, заказчик был "толст", часть работ делалась в китае.

[Aner 8]

... не мое, но как вариант вам для сравнения

[makc 231]

31 минуту назад, Aner сказал:

... не мое, но как вариант вам для сравнения

Спасибо, правда это мало что даёт, т.к. неизвестно какая модель антенны. 

Измерил резонансную частоту контура антенны на моей плате из первого поста и оказалось, что она всего навсего 1608 МГц, вместо 2440. Замыкая контур проводком-перемычкой и уменьшая площадь контура удалось сместить частоту резонанса вплотную к 2400 МГц. Поэтому пока вижу в качестве наиболее оптимального варианта изготовление нескольких образцов тестовых плат на одной заготовке с аналогичными вырезами (с шагом вариаций по глубине около 0.25 ... 0.5 мм) и отталкиваясь от полученных результатов измерения уже принимать решение о наиболее оптимальном варианте геометрии выреза. Моделирование без точной модели пока не задалось... 

[Aner 8]

Думаю вариантов для края платы (контура или периметра) много, те же змейки, запайка провода (типа оплетки) в виде волны по контуру, вверх вниз. Мета материалы, различные диэлектрики с большим эпсилон и тд. Вариант 3D также. В вашем случе с пластиковым корпусом нужно учитывать расстояния до антенны. Чем больше тем лучше. Все же пластик влияет на кпд и смещает рез. частоты вниз. Для примера 2.4 ггц на ~ 5...10% зависит от эпсилон и расстояния до пластика.

Можно делать одну плату а не несколько, с полосками для подстройки, в инете можно найти картинки. Подстройка - запайка оловом этих полосок до нужного смещения.

[Freesom 22]

Для достижения положительного результата не забывайте умилостивить богов Гигагерцев, прежде чем приступать к шаманству. С этой целью полезно принести в жертву 50-омный резистор, сжигая его током, многократно превышающим расчетный.

 

[makc 231]

7 часов назад, Aner сказал:

Думаю вариантов для края платы (контура или периметра) много, те же змейки, запайка провода (типа оплетки) в виде волны по контуру, вверх вниз.

Это, КМК, плохо повторяемо и следовательно нетехнологично. А согласно приведённой вами статье 2015 года от Pulse форма контура имеет малое значение - основное значение имеет его площадь, которая определяет его индуктивность и, следовательно, частоту резонанса. Я это наблюдал на практике просто счищая маску и облуживая контур выреза около антенны (увеличивая толщину проводника), правда повторить два раза такое одинаково довольно проблематично.

7 часов назад, Aner сказал:

Мета материалы, различные диэлектрики с большим эпсилон и тд. Вариант 3D также.

С этим тоже не хотелось бы связываться без особой нужды. Изделие планируется массовое и, следовательно, дешёвое.

7 часов назад, Aner сказал:

В вашем случе с пластиковым корпусом нужно учитывать расстояния до антенны. Чем больше тем лучше. Все же пластик влияет на кпд и смещает рез. частоты вниз. Для примера 2.4 ггц на ~ 5...10% зависит от эпсилон и расстояния до пластика.

Это я понимаю,  но вариантов для размещения антенны в корпусе фактически нет, т.к. все остальные варианты оказываются ещё хуже из-за узкой и длинной геометрии платы. Для учёта влияния пластика я планирую финальный вариант доводить до кондиции в закрытом корпусе, полностью собранном с аккумулятором. Он тоже из-за своей близости наверняка окажет влияние.

7 часов назад, Aner сказал:

Можно делать одну плату а не несколько, с полосками для подстройки, в инете можно найти картинки. Подстройка - запайка оловом этих полосок до нужного смещения.

Не могли бы вы привести пример (картинку) того, что именно вы имеете в виду? Я поискал, но ничего подобного именно для чип-антенн не нашёл. Максимум что ищется это варианты антенн PIFA/MIFA с отметками в слое шелкографии, помогающими отрезать нужную часть в процессе подстройки. Но в случае чип-антенны пайка будет давать заметные изменения индуктивности, т.к. практически невозможно проконтролировать толщину припоя. А если наделать недозапаянных перемычек такого вида:

Спойлер

То при запайке их свойства во-первых будут заметно отличаться от залитого землёй варианта (вырез в земляном полигоне), а во-вторых незапаянные, как мне кажется, они будут вносить искажения в свойства этого колебательного контура из-за паразитных ёмкостей и т.п. Т.е. в итоге всё равно на финальной плате с большой вероятностью не удастся попасть в яблочко по частоте резонанса из-за радикальных отличий финальной платы и этих макеток. Соответственно потребуется подстройка в виде последовательной индуктивности в цепи земляного контакта антенны для компенсации недостаточной индуктивности контура (подсмотрел у китайцев), либо вообще придётся переделывать, если индуктивность будет избыточной. Поэтому большая просьба сделать концептуальный набросок того, что вы имеете в виду говоря об одном варианте платы.

6 часов назад, Freesom сказал:

Для достижения положительного результата не забывайте умилостивить богов Гигагерцев, прежде чем приступать к шаманству. С этой целью полезно принести в жертву 50-омный резистор, сжигая его током, многократно превышающим расчетный.

У меня для этих целей служит параллельная сборка из двух 100 Ом 1% 0402, периодически прожариваемая паяльником. Думаете этого недостаточно?

Можно, конечно, купить прецизионных резисторов именно на 50 Ом и начать их жарить (хотя непонятно, когда остановиться?) до победного конца, но где гарантия что это будет лучше моего варианта с двумя по 100?

[Freesom 22]

3 hours ago, makc said:

Можно, конечно, купить прецизионных резисторов именно на 50 Ом и начать их жарить (хотя непонятно, когда остановиться?) до победного конца, но где гарантия что это будет лучше моего варианта с двумя по 100?

Увы, гарантий никаких нет, поскольку СВЧ - это территория абсолютной магии, где сигналу так же просто распространяться по воздушным зазорам над подложкой, как и по проводникам (мнение инженера звуковых частот, впервые увидевшего hairpin фильтр).

Абсурдность ситуации с моделированием таких маленьких и вроде простых устройств в том, что надо знать весьма много характеристик компонентов и материалов. А получить их порой можно только экспериментально, а это оснастка, измерительное оборудование и т.д. Большие антенны радаров проектируются и то проще.

Тут корпус находится сразу весь в реактивной зоне антенны и сильно влияет на её резонансную частоту. Даже хотя керамические антенны менее подвержены влиянию корпуска и рук пользователя, его все равно надо учитывать, особенно если там аккумулятор.

Spoiler