Антенны в наши дни повсюду, большинство основных технологий, таких как смартфоны, системы безопасности и устройства интернета вещей (IoT), используют антенны для связи между собой. В последнее время особенно возросла популярность антенн, расположенных на печатных платах, благодаря тому что они существенно снижают габариты радиоэлектронного устройства. Итак, наша цель сегодня — дать читателям некоторые основные идеи о том, что такое антенна, как она работает и как спроектировать антенну на печатной плате (PCB antenna) для работы на частоте 2,4 ГГц.

Прежде чем мы начнем, позвольте мне сказать вам, что я не являюсь экспертом по радиочастотам, но у меня есть некоторый многолетний опыт, и поэтому я могу рассказать вам некоторые основы, необходимые для начала работы с вашим проектом.

Антенны в целом

Хотя в теме этой статьи говорится об антенне на печатной плате для частоты 2,4 ГГц, но некоторая базовая справочная информация об антеннах будет очень полезна для новичков. Если вы профессионал в этой тематике и если вы намерены просто узнать об особенностях проектирования антенны на печатной плате, вы можете пропустить эту часть.

Чтобы лучше понять антенны, необходимо кратко рассмотреть схемы согласования импедансов и резонансные схемы. Доказано, что для передачи максимальной мощности сопротивление источника должно быть точно равно сопротивлению нагрузки.

Антенна — это структура, состоящая из металлических предметов, часто проводов или группы проводов, используемых для преобразования высокочастотного тока в электромагнитные волны и наоборот. В общем, можно сказать, что это особый тип преобразователя, который преобразует высокочастотные токи в электромагнитные волны.

Антенна должна иметь возможность согласовывать линию передачи и нагрузку. В зависимости от частоты, длины провода и диэлектрического материала провод действует как линия передачи, согласующая импеданс, подробнее об этом мы поговорим позже в статье.

Антенна в некоторой степени должна действовать как резонансный контур, т. е. она должна иметь способность передавать энергию из электростатической в ​​электромагнитную. Если согласование импедансов правильное, энергия начнет передачу и будет излучаться в атмосферу таким же образом, как это происходит с антенной. Трансформатор преобразует энергию из первичной во вторичную.

Приведенное выше обсуждение представляет собой чрезмерное упрощение процесса, который встречается при радиочастотной передаче, но вы можете рассматривать его как основу для дальнейшего обсуждения.

Длина волны, частота и длина антенны

В антенне длина волны, частота и длина антенны зависят друг от друга, я собираюсь объяснить эти три параметра на простом примере.

Длина и форма антенны связаны с длиной волны частоты передатчика; т.е. механическая длина обратно пропорциональна числовому значению частоты.

Мы все знаем следующую формулу.

Приведенный выше базовый пример должен был показать вам, как можно рассчитать длину волны для определенной частоты.

Итак, если проделать тот же расчет для 2,45 ГГц, мы получим длину антенны 23 мм.

Теперь, когда мы рассмотрели основы работы антенн, мы можем сосредоточиться на главной достопримечательности блога — конструкции антенны на печатной плате.

Прежде чем продолжить, позвольте мне сказать вам, что я не собираюсь подробно рассказывать о каждом аспекте антенны на печатной плате, потому что у меня нет необходимого уровня знаний, инструментов и измерений для такого рода детального объяснения.

Вместо этого я собираюсь обсудить некоторые основные концепции, лучшие практики и вещи, которые следует иметь в виду. 

Выбор подходящего типа антенны

Ранее мы решили, что будем использовать четвертьволновую антенну для этого проекта, поэтому в зависимости от требований существует только два основных типа антенн, которые доминируют над всеми остальными:

1. Перевернутая F-антенна.
2. Линия Меандра, перевернутая F-антенна

Мы будем использовать перевернутую F-антенну с меандровой линией. На данный момент этот проект становится очень длинным, поэтому, чтобы немного его сократить, я не буду объяснять, почему я выбираю перевернутую F-антенну с меандровой линией, более подробно об этом вы можете прочитать на соответствующих источниках в сети.

Расчеты антенны

Прежде чем приступить к расчету, нам нужно прямо задать некоторые параметры.

Сначала нам нужно выбрать подложку и рабочую частоту, затем нам нужно рассчитать подходящую длину и ширину подложки и, наконец, мы рассчитаем длину и ширину дорожки.

Чтобы объяснить конструкцию антенны, мы предполагаем, что печатная плата изготовлена ​​из материала FR4, который имеет относительную проницаемость 4,4 (более подробно о материалах для печатных плат вы можете прочитать в этой статье). Этот параметр очень важен, как мы увидим позже в расчетах.

Высоту подложки можно рассчитать, используя:

где hs - высота подложки,

F - частота в ГГц,

C - скорость света в м/с, 

Σr - диэлектрическая проницаемость подложки.

Ширину печатной дорожки можно определить с помощью следующего выражения:

Длину дорожки можно определить с помощью

где Σff - эффективная диэлектрическая проницаемость.

ΔL - физическая длина, определяемая по формуле:

Длина подложки определяется как:

Ширина подложки находится по формуле:

Отношение ширины микрополоски к глубине определяется соотношением:

где d - ширина дорожки,                  

w - ширина подложки,                    

A - эффективная площадь.

На этом достаточно! Теперь давайте с помощью расчетов давайте спроектируем ВЧ-плату 2,45 ГГц на основе  модуля ESP8285, чтобы показать, насколько легко спроектировать плату и радиочастотный модуль на плате. 

Проектирование схемы

Здесь мы разрабатываем антенну 2,4 ГГц для платы ESP8255 Mini, поэтому ниже приведена ее принципиальная схема. В следующей статье мы также построим полную печатную плату на основе этой принципиальной схемы.

Чтобы разработать правильную схему, подобную этой, мы собираемся использовать руководство по проектированию ESP8285, предоставленное компанией espressif, доступное здесь - руководство по проектированию оборудования для ESP8285. В нем можно найти следующее сообщение:

Поэтому было решено скачать руководство по проектированию оборудования для ESP8266, в котором можно найти полное руководство по проектированию оборудования для данной платы.

В руководстве по проектированию аппаратного обеспечения я хочу указать на некоторые ключевые требования к проектированию, а именно к аналоговому источнику питания и цифровому источнику питания для платы ESP. Оба компонента будут подробно объяснены позже, когда мы будем проектировать полную печатную плату для платы ESP8285, здесь мы сосредоточимся только на разработке антенны.

Конструкция антенны на 2,4 ГГц на печатной плате

Антенная секция выполнена так, что ее можно переключать между антенной на печатной плате и штыревой антенной.

Индукторы L3 и L4 используются на случай непредвиденных обстоятельств. 

Расположение платы

На изображении выше показана полностью спроектированная печатная плата.

Нам необходимо рассмотреть две основные секции печатной платы: первая — секция антенны, вторая — секция кварцевого генератора. Опять же, мы сосредоточимся только на разделе «Антенна».

Секция антенны

Разметка секции антенны — самая сложная часть этого проекта.

Сначала нам нужно разместить все необходимые разъемы. Далее нам нужно разместить антенну, разъем U.FL, разъем для программирования, переключатель для GPIO0 и микроконтроллер. Все это показано на изображении выше.

Далее проведите трассу антенны, для этого я буду использовать инструмент Polygon в Eagle PCB .

Прежде чем прокладывать трассу, следует помнить одно важное замечание: сопротивление трассы должно составлять 50 Ом, поскольку она действует как высокочастотная линия передачи, и эти 50 Ом сильно зависят от диэлектрического материала и толщины платы. Итак, нам нужно сначала рассчитать это, чтобы построить соответствующую трассу.

Для этого мы собираемся использовать веб-инструмент под названием Mantaro.

Для расчета ширины трассы укажите все необходимые параметры, все эти параметры вы можете найти на сайте производителя.

Во-первых, это ширина дорожки, которую я ввел вручную, она составляет 70 mils.

Во-вторых , это толщина следа, она составляет 1 унцию или 1,4 mils.

В-третьих , это толщина диэлектрика, то есть толщина платы, равная 39,3701 или 1,6 мм.

И в-четвертых, это относительная диэлектрическая проницаемость, которую можно найти на веб-сайте производителя, и она варьируется от производителя к производителю.

Теперь, если я нажму кнопку расчета, я получу сопротивление ровно 50 Ом.

Примечание! Импеданс в основном зависит от ширины дорожки (w) и толщины диэлектрика (h).

Итак, окончательная трассировка выглядит так, как показано на рисунке выше, теперь дело за изготовлением, программированием и тестированием платы. Кстати, печатную плату можно изготовить и в домашних условиях.

161 просмотров