Pienikokoiset keraamiset antennit kuljetettavissa laitteissa: sovellukset, suunnittelun haasteet ja tulevaisuuden näkymät

Kantokelvollisten laitteiden maailmanlaajuinen markkina on kokeillut valtavaa muutosta. Aikoinaan rajoitettu perustasoisille kunnonseurantalaitteille ja digitaalisille kelloille, nykyiset kantokelvolliset laitteet sisältävät monitasoisia lääketieteellisen tason terveydenseurantalaitteita, älykäsrenkaita, teollisuuden turvavarusteita ja edistyneitä lisätyn todellisuuden (AR) laseja. Kun kuluttajat ja yrityskäyttäjät vaativat kevyempiä suunnitteluja, pidempiä akun käyttöaikoja ja luotettavaa monitaajuusyhteyttä, laitevalmistajat kohtaavat ennennäkemättömiä insinöörihaasteita.

Näistä haasteista RF- (radiofrekvenssi-) suunnittelu on ehkä tärkein. Käyttölaitepiirit täytyy sijoittaa useita antenniä – Bluetooth-, Wi-Fi-, GPS/GNSS- ja solukko-IoT-antenneja (NB-IoT/LTE-M) – erittäin rajoitettuun fyysiseen tilaan. Tässä yhteydessä pienikokoiset keraamiset antennit ovat nousseet kultakannattimeksi käyttölaitepiirien langattomassa suunnittelussa.

Johtavana RF-mikroaalto-komponenttien kehittäjänä ja valmistajana toimiva Jiaxing Ruishang Electronic Technology Co., Ltd. (RSwave) (vieraile www.rswave.com ) erikoistuu korkean suorituskyvyn dielektrisiin ja keraamisiin antenneihin, jotka vastaavat nykyaikaisten käyttölaitepiirien tiukkoja tilavaatimuksia ja korkean tehokkuuden vaatimuksia. Tässä artikkelissa käsitellään, miten pienikokoiset keraamiset antennit toimivat, niiden ainutlaatuisia etuja käyttölaitepiireissä, suunnittelumenetelmiä sekä niiden tulevaisuuden näkymiä IoT-ekosysteemissä.

1. Pienikokoisten keraamisten antennien ymmärtäminen: dielektrisen kuormituksen etu

Jotta voidaan ymmärtää, miksi keraamiset antennit ovat ideaalisia kuljetettavissa laitteissa, on tärkeää tarkastella antennisuuren fysiikkaa. Perinteisen resonanssiantennin (esimerkiksi PCB-johdinantennin tai tikkuantennin) fyysinen koko on suoraan verrannollinen signaalin aallonpituuteen (λ), jota se on suunniteltu lähettämään tai vastaanottamaan.

Esimerkiksi 2,4 GHz:n Bluetooth-signaalin aallonpituus vapaassa tilassa on noin 12,5 cm. Tavallisen puoliaaltoisen dipoliantennin pitäisi olla noin 6,2 cm pitkä, mikä on liian suuri koko älyrenkaalle tai tiukkaan kuntolevypätkälle.
Keraamiset antennit kiertävät tämän rajoituksen dielektrisen kuormituksen vaikutuksen avulla. Sähkömagneettisen aallon aallonpituus materiaalissa on kääntäen verrannollinen materiaalin suhteellisen permittiivisyyden (eli dielektrisen vakion, ϵr) neliöjuureen:
λmedium = λfree_space / √ϵr
Käyttämällä edistyneitä keraamisia materiaaleja, joiden dielektrinen vakio on korkea (tyypillisesti välillä εr = 10–yli 90), valmistajat voivat tiukentaa sähkömagneettista aaltoa merkittävästi keraamisen substraatin sisällä. Tämä mahdollistaa keraamaisen antennin resonanssin halutulla taajuudella, vaikka sen fyysinen koko on vain murto-osa perinteisten antennien vaatimasta tilasta.

2. Keraamisten antennien keskeiset etulyöty wearable-laitteissa

Wearable-laitteiden kehittäjille mikroskooppiset keraamiset antennit (esimerkiksi keraamiset chip-antennit ja keraamiset patch-antennit) tarjoavat useita selkeitä etuja PCB-johdinantenneihin tai metallista leikattuihin antenneihin verrattuna:

Erinomainen pienikokoisuus

Keraamiset chip-antennit voivat olla jopa 3,2 × 1,6 mm tai jopa 1,6 × 0,8 mm 2,4 GHz -sovelluksissa. Tämä erinomainen pienikokoisuus vapauttaa arvokasta PCB-tilaa muille keskeisille komponenteille, kuten mikrokontrollereille, antureille ja suuremmille akkuille.

Ihmiskehon aiheuttaman suodattimen taajuuden muutoksen vastustus (kehon kuormitusefekti)

Ihmisen keho koostuu pääosin vedestä, joka toimii häviöllisenä dielektrisenä materiaalina korkealla permittiivisyydellä (ϵr ≈ 50–80 riippuen kudostyypistä). Kun tavallinen antenni sijoitetaan lähelle ihmisen kehoa, keho absorboi RF-energian ja vetää antennin resonanssitaajuutta alaspäin (taajuuden muutos).

Keramiikkasantennit ovat huomattavasti vähemmän herkkiä ihmiskehon läheisyydelle, koska ne keskittävät sähkömagneettisen kentän tiukasti korkean permittiivisyyden omaavan keramiikkasydämensä sisään. Tämä ominaisuus varmistaa vakauden langattomassa suorituskyvyssä, olipa laite käytössä ranne-, sormi- tai pääkäytössä.

Kaikkiin suuntiin säteilevä säteilykuva

Kannettavat laitteet ovat jatkuvasti liikkeessä. Älykello on säilytettävä GPS-lukituksensa tai Bluetooth-yhteytensä riippumatta siitä, juokseeko käyttäjä, uipeeko tai heiluttaa käsivarsiaan. Keramiikkachip-antennit tarjoavat lähes isotrooppisia säteilykuvioita, mikä mahdollistaa luotettavan monisuuntaisen kattavuuden ja vähentää signaalikatkoja liikkeen aikana.

Valmistuksen helppous (SMT-yhteensopivuus)

Erilaisten langantennien tai erityisesti muovattujen metalliantennien, jotka vaativat manuaalista kokoonpanoa tai monimutkaisia mekaanisia koteloita, sijaan keramiikkachip-antennit ovat pinnallisesti kiinnitettäviä laitteita (SMD). Niitä voidaan ottaa ja sijoittaa piirilevylle standardien korkean nopeuden automatisoitujen kokoonpanolinjojen avulla, mikä alentaa tuotantokustannuksia ja parantaa valmistustulosta.

3. Tärkeimmät sovellukset kannettavassa teknologiassa

Pienikokoisia keramiikkasantenneja käytetään laajasti eri langattomissa protokollissa kannettavissa laitteissa:

A. Korkean tarkkuuden GNSS-/GPS-seuranta

Älykellojen, ulkourheilun seurantalaitteiden ja vanhusten hoitopalveluiden seurantalaitteiden tapauksessa luotettava satelliittipaikannus on elintärkeää. Koska GPS-signaalit, jotka kulkevat keskikorkealta maan yläpuolelta, ovat heikkoja, kun ne saavuttavat maanpinnan, korkean tehokkuuden antennit ovat pakollisia.

Näihin sovelluksiin keraamiset laikkuantennit (esimerkiksi RSwaven passiiviset dielektriset laikut) ovat suositeltavin vaihtoehto. Nämä antennit hyödyntävät ympyräpolarisaatiota (RHCP) sovitakseen GPS-/GLONASS-satelliittien signaaleihin ja tarjoavat korkean vahvistuksen sekä erinomaisen monitiehäiriöiden torjunnan kompaktissa 10×10 mm:n tai 12×12 mm:n muodossa.

B. Bluetooth Low Energy (BLE) ja Wi-Fi

BLE on käytännössä kantava voima kuljetettavien laitteiden tiedonsynkronointiin, jolloin älykäsranneke yhdistetään älypuhelimeen. Mikro-kuljetettavien laitteiden, kuten älyrengasten tai kuulokkeiden, tapauksessa erityisen pienet 2,4 GHz:n keraamiset piiriantennit ovat ratkaisevan tärkeitä. Ne mahdollistavat saumattoman äänivirran siirron ja biometristen tietojen siirron samalla kun ne sopivat kaareviin ja erinomaisen kompaktiin koteloituksiin.

C. Solukellon IoT (NB-IoT ja LTE-M)

Kun kulutuslaitteet, kuten kulutuslaitteet, muuttuvat riippumattomiksi älypuhelimista, monet niistä sisältävät soluyhteyden. Solubandit (700 MHz–2,2 GHz) vaativat laajempaa kaistaleveyttä. RSwaven pienikokoiset monitaajuusalueen keramiikkalentäimet mahdollistavat tiukkojen laitteiden suoran yhdistämisen soluverkkoihin, mikä mahdollistaa reaaliaikaisen lääketieteellisen seurannan ja hätätilanteiden seurannan.

4. RF-insinööritöiden ja integraation parhaat käytännöt

Vaikka keramiikkalentäimet tarjoavat merkittäviä etuja, niiden suorituskyky riippuu erityisen paljon isäntä-PCB:n asettelusta. Optimaalisen suorituskyvyn saavuttamiseksi ja sääntelyviranomaisten vaatimusten (esimerkiksi FCC/CE) täyttämiseksi RF-suunnittelijoiden on noudatettava useita integraatio-ohjeita:

Maapinnan ratkaiseva rooli

Yleinen väärinkäsitys on, että keramiikkachip-antenni toimii täysin itsenäisesti. Todellisuudessa keramiikkachip-antenni toimii dipoolijärjestelmän puolikkaana; PCB:n maapintaa käytetään toisena puolikkaana. Maapinnan koko ja muoto määrittävät antennin säteilytehokkuuden ja kaistanleveyden. Suunnittelijoiden on pidettävä yllä valmistajan määrittelemä "maapinnan varausalue" (PCB:n alue, joka on vapaa kuparitasoista ja johdinosista suoraan antennin alla ja sen ympärillä), jotta antennin resonanssitaajuutta ei muutettaisi.

Sovitusverkkojen toteuttaminen

Koska jokainen kantettava kotelo, akun sijoitus ja muovikotelo muuttavat paikallisesti dielektristä ympäristöä, antennin syöttöimpedanssi poikkeaa nimellisestä arvosta 50 Ω. Pi-tyyppisen sovitusverkon (joka koostuu kahdesta rinnankytketystä komponentista ja yhdestä sarjaankytketystä komponentista ja jossa käytetään korkealaatuisia kela- ja kondensaattorikomponentteja) sisällyttäminen antennin syöttöpisteeseen on välttämätöntä. Tämä mahdollistaa suunnittelijoiden säätää järjestelmä takaisin resonanssiin prototyyppivaiheessa.

Yhteistoiminta ja erottelu

Nykyiset kantettavat laitteet sisältävät GPS-, Wi-Fi-, Bluetooth- ja solukkoliitännän lähettimet hyvin lähekkäin toisiaan. Vastaanottimen herkkyyden heikentymisen (desense) ja intermodulaatiovääristymän estämiseksi suunnittelijoiden on sijoitettava antennit mahdollisimman kauas toisistaan, käytettävä ortogonaalisia polarisaatiosuuntia tai käytettävä taajuusalueen erottelua varten kaistanpäästösuodattimia (esimerkiksi RSwave:n LTCC-dielektrisiä suodattimia).

5. Tulevaisuuden suuntaukset: Seuraavan sukupolven keramiikkasantennit

Kun teollisuus siirtyy kohti 5G RedCap- (Reduced Capability), Wi-Fi 6E/7- ja Ultra-Wideband- (UWB) seurantaa, keraaminen antenniteknologia jatkaa kehitystään:

• Joustavat ja muovautuvat keraamit: Materiaalitutkijat kehittävät joustavia keraami-polymeeriseoksia, joita voidaan muotoilla sopeutumaan kulmaisten käyttölaitekoteloitten pintojen muotoon, mikä mahdollistaa tilan tehokkaan hyödyntämisen.
• Antenni-pakettiin (AiP): RF-vastaanottimen ja keraami-antennin integrointi yhdeksi puolijohdepaketiksi poistaa liitoshäviöt ja pienentää rakenteen kokoa.
• Korkean permittiivisyyden materiaalit alle 6 GHz:n 5G-taajuuksille: Uusien keraamikoostumuksien kehitys, joilla on alhainen häviökulmakerroin korkeammilla taajuuksilla, mahdollistaa erinomaisen tehokkuuden ja pienikokoisuuden 5G IoT-laitteissa.

Johtopäätös

Pienikokoiset keraamiset antennit ovat ratkaiseva teknologia käytettävien laitteiden vallankumoukselle. Niiden erinomainen kompromissiton tasapaino pienessä koossa, kestävyys kehon aiheuttamalta suodatushäiriöltä, korkea luotettavuus ja pinnalle asennettavuus mahdollistavat insinöörien työn rajattomien mahdollisuuksien parissa käytettävän teknologian alalla.

Kehittäjille, jotka haluavat integroida viimeisimmät langattomat ominaisuudet käytettäviin laitteisiinsa tuotteet , on ratkaisevan tärkeää tehdä yhteistyötä kokemukseen perustuvan RF-komponenttiasiantuntijan kanssa. Jiaxing Ruishang Electronic Technology Co., Ltd. (RSwave) tarjoaa laajan valikoiman korkealaatuisia keraamisia pinnantenneja, piiriantenneja ja dielektrisiä komponentteja, jotka on suunniteltu täyttämään maailmanlaajuisen elektroniikkateollisuuden tiukat vaatimukset. Tutustu RSwaven tuotevalikoimaan ja saat tekniset tiedotiedostot osoitteesta www.rswave.com optimoidaksesi seuraavan käytettävän laitteen RF-suunnittelun.