Փոքրաչափ կերամիկային անտենաները կրելի սարքերում՝ կիրառումները, նախագծման մասին մարտահրավերները և ապագայի հեռանկարները

Աշխարհի կրելի տեխնոլոգիայի շուկան մեծ փոփոխության է ենթարկվում: Երբեմն սահմանափակված հիմնարար ֆիտնես-տրեքերներով և թվային ժամացույցներով՝ այսօրվա կրելի սարքերը ներառում են բարդ բժշկական որակի առողջության մոնիտորներ, իմաստուն մատանիներ, արդյունաբերական անվտանգության սարքավորումներ և առաջադեմ լրացված իրականության (AR) ակնոցներ: Քանի որ սպառողներն ու ձեռնարկատերերը պահանջում են ավելի ճկուն դիզայն, երկար աշխատանքային ժամանակ մեկ լիցքավորմամբ և հուսալի բազմաշերտ կապ, սարքերի արտադրողները դիմագահատում են աննախադեպ ճարտարագիտական մասին դժվարությունների:

Այս մարտահրավերների մեջ RF-ի (ռադիոհաճախականության) դիզայնը, հավանաբար, ամենակրիտիկն է: Պահեստավորված սարքերը պետք է տեղավորեն մի քանի անտենա՝ սկսած Bluetooth-ից և Wi-Fi-ից մինչև GPS/GNSS և Բջջային IoT (NB-IoT/LTE-M), շատ սահմանափակ ֆիզիկական տարածքում: Այս համատեքստում մինիատյուր կերամիկական անտենաները դարձել են պահեստավորված անիվային կապի դիզայնի ոսկե ստանդարտ:

Որպես RF միկրոալիքային բաղադրիչների առաջատար մշակող և արտադրող՝ Ճյաշին Ռույշանգ Էլեկտրոնիկ Տեխնոլոգիա Ընկերություն ՍԱԾ (RSwave) (այցելել www.rswave.com ) մասնագիտացված է բարձր կատարողականությամբ դիէլեկտրիկ և կերամիկական անտենաների մշակման մեջ, որոնք բավարարում են ժամանակակից պահեստավորված կիրառումների սահմանափակ տարածքի և բարձր արդյունավետության պահանջները: Այս հոդվածը քննարկում է, թե ինչպես են աշխատում մինիատյուր կերամիկական անտենաները, ինչ են դրանց եզակի առավելությունները պահեստավորված սարքերում, ինչ են դիզայնի մեթոդաբանությունները և ինչ է դրանց ապագան IoT էկոհամակարգում:

1. Մինիատյուր կերամիկական անտենաների հասկացությունը. Դիէլեկտրիկ լիցքավորման առավելությունը

Որպեսզի հասկանանք, թե ինչու են կերամիկային անտենաները գագաթնակետային ընտրությունը կրելի սարքերի համար, անհրաժեշտ է դիտարկել անտենայի չափսերի ֆիզիկան: Սովորական ռեզոնանսային անտենայի (օրինակ՝ PCB հետքի անտենա կամ մետաղալարային անտենա) ֆիզիկական չափսը ուղիղ համեմատական է այն ալիքի երկարությանը (λ), որը նախատեսված է ճառագայթելու կամ ընդունելու:

Օրինակ՝ 2,4 ԳՀց Bluetooth ազդանշանի ալիքի երկարությունը ազատ տարածության մեջ մոտավորապես 12,5 սմ է: Ստանդարտ կիսաալիքային դիպոլային անտենայի երկարությունը պետք է լիներ մոտավորապես 6,2 սմ, ինչը շատ մեծ է ինտելեկտուալ մատանու կամ կոմպակտ ֆիթնես ժապավենի համար:
Կերամիկային անտենաները այս սահմանափակումը преодолевում են դիէլեկտրիկ բեռնվածության էֆեկտի միջոցով: Էլեկտրամագնիսական ալիքի ալիքի երկարությունը, որը տարածվում է մի նյութի մեջ, հակադարձ համեմատական է նյութի հարաբերական դիէլեկտրիկ թափանցելիության (կամ դիէլեկտրիկ հաստատունի, ϵr) քառակուսի արմատին.
λmedium = λfree_space / √ϵr
Օգտագործելով բարձր դիէլեկտրիկ հաստատուններով (սովորաբար ϵr=10-ից մինչև 90-ից ավել) առաջադեմ կերամիկական նյութեր՝ արտադրողները կարող են էլեկտրամագնիսական ալիքը էականորեն սեղմել կերամիկական սուբստրատի ներսում: Սա թույլ է տալիս կերամիկական անտենային հասնել հաճախականության ռեզոնանսին՝ զբաղեցնելով ավանդական անտենաների համար անհրաժեշտ ֆիզիկական տարածության միայն մի մասը:

2. Կերամիկական անտենաների հիմնական առավելությունները կրվող սարքերում

Կրվող սարքերի մշակողների համար մինիատյուր կերամիկական անտենաները (օրինակ՝ կերամիկական չիփ անտենաներ և կերամիկական պատվածքային անտենաներ) առաջարկում են մի շարք առանձնահատուկ առավելություններ՝ համեմատած PCB հետքային անտենաների կամ մետաղական շտամպավորված անտենաների հետ:

Ոչ մեծ տեղայնք

Կերամիկային մանրաթելային անտենաները կարող են լինել 3,2×1,6 մմ կամ նույնիսկ 1,6×0,8 մմ 2,4 ԳՀց հաճախականության կիրառումների համար: Այս նվազագույն չափսերը ազատում են արժեքավոր տպագրված շղթայի տարածքը այլ կրիտիկական բաղադրիչների համար, ինչպես օրինակ՝ միկրովերահսկիչներ, սենսորներ և մեծ մեծության մետաղական մարտկոցներ:

Մարդու մարմնի դետյունինգի դիմաց դիմացկունություն (մարմնի բեռնման էֆեկտ)

Մարդու մարմինը հիմնականում բաղկացած է ջրից, որը կորցնող դիէլեկտրիկ նյութ է՝ բարձր պերմիտտիվությամբ (ϵr≈50-80՝ կախված հյուսվածքի տեսակից): Երբ ստանդարտ անտենան տեղադրվում է մարդու մարմնի մոտ, մարմինը կլանում է ՌՀ էներգիան և իջեցնում անտենայի ռեզոնանսային հաճախականությունը (դետյունինգ):

Կերամիկական անտենաները, քանի որ դրանք էլեկտրամագնիսական դաշտը կենտրոնացնում են իրենց բարձր պերմիտտիվությամբ կերամիկական միջուկներում, զգայունությունը մարդու մարմնի մոտեցման նկատմամբ զգալիորեն ցածր է: Այս հատկությունը ապահովում է կայուն անսարք կապի աշխատանք՝ անկախ սարքի կրման վայրից (ձեռքի գետնային մասում, մատի կամ գլխի վրա):

Ուղղահայաց ճառագայթման նախշեր

Պատյանավորված սարքերը մշտապես շարժվում են: Ինտելեկտուալ ժամացույցը պետք է պահպանի իր GPS-ի կապը կամ Bluetooth-ի միացումը՝ անկախ նրանից, թե արդյոք օգտագործողը վազում է, լողում է կամ թափահարում է ձեռքերը: Կերամիկային չիպային անտենաները ապահովում են գրեթե իզոտրոպ ճառագայթման նմուշներ, որոնք ապահովում են հուսալի, բազմուղղային ծածկույթ և նվազեցնում են շարժման ընթացքում ազդանշանի կորուստը:

Արտադրության հեշտություն (SMT-ի համատեղելիություն)

Սարքավորումների համար օգտագործվող լարային կամ հատուկ մետաղական անտենաներից տարբերվելով, որոնք պահանջում են ձեռքով հավաքում կամ բարդ մեխանիկական կապարապատում, կերամիկային չիպային անտենաները մակերեսային մոնտաժի սարքեր են (SMD): Դրանք կարող են տեղադրվել տպագրված շղթայի վրա ստանդարտ բարձրամետրաժ ավտոմատացված արտադրական գծերի միջոցով, ինչը նվազեցնում է արտադրության ծախսերը և բարելավում է արտադրության ելքը:

3. Հիմնական կիրառումները պատյանավորված տեխնոլոգիայում

Մինիատյուր կերամիկային անտենաները օգտագործվում են պատյանավորված սարքերի ոլորտում տարբեր անսարք հաղորդակցության պրոտոկոլներում.

Ա. Բարձր ճշգրտությամբ GNSS/GPS հետևում

Իմացական ժամացոյցների, արտաքին սպորտային հետևողական սարքերի և ծերերի համար նախատեսված հետևողական սարքերի համար հուսալի արբանյակային դիրքորոշումը կարևոր է: Քանի որ GPS ազդանշանները, որոնք տարածվում են միջին Երկրի ուղեծրից, թույլ են դառնում հասնելուց հետո Երկրի մակերևույթին, այդ պատճառով բարձր արդյունավետությամբ անտենաներ պարտադիր են:

Այս կիրառումների համար կերամիկային պատկերային անտենաները (օրինակ՝ RSwave-ի պասիվ դիէլեկտրիկ պատկերները) համարվում են նախընտրելի ընտրություն: Այս անտենաները օգտագործում են շրջանային բևեռացում (RHCP), որպեսզի համապատասխանեն GPS/GLONASS արբանյակների ազդանշաններին, ապահովելով բարձր կուտակում և առավել լավ բազմաճանապարհ արգելակում փոքր 10×10 մմ կամ 12×12 մմ ձևաչափով:

Բ. Bluetooth Low Energy (BLE) և Wi-Fi

BLE-ն հանդիսանում է կրելի սարքերի տվյալների համաժամանակեցման հիմքը, որոնք միացնում են իմացական ժամացոյցները սմարթֆոնների հետ: Իմացական մատանիների կամ ականջի մեջ տեղադրվող սարքերի նման միկրո-կրելի սարքերի համար անհրաժեշտ են արտակարգ փոքր 2,4 ԳՀց կերամիկային միկրոանտենաներ: Դրանք թույլ են տալիս անխափան ձայնային հոսք և կենսաչափական տվյալների փոխանցում՝ տեղավորվելով կորացված, արտակարգ փոքր կապսուլներում:

C. Բջջային IoT (NB-IoT եւ LTE-M)

Քանի որ կրելի սարքերը ավելի ու ավելի են անկախանում սմարթֆոններից, շատերը ներառում են բջջային կապ: Բջջային լայնությունները (700 ՄՀց–ից մինչեւ 2,2 ԳՀց) պահանջում են ավելի լայն շերտավորումներ: RSwave-ի մինիատյուր բազմալայնությունային կերամիկական անտենաները թույլ են տալիս փոքր սարքերին անմիջապես միանալ բջջային ցանցերին՝ հնարավորություն տալով իրական ժամանակում բժշկական հսկողություն եւ վթարման դեպքերի հետագծում:

4. RF ինժեներական աշխատանք եւ ինտեգրման լավագույն մեթոդներ

Չնայած կերամիկական անտենաները ունեն կարեւոր առավելություններ, դրանց արդյունավետությունը շատ է կախված տեղակայման հարթակի (PCB) դասավորությունից: Առավելագույն արդյունավետություն ստանալու եւ կարգավորող ստուգումների (օրինակ՝ FCC/CE) համար համապատասխանելու համար RF դիզայներները պետք է հետևեն մի շարք ինտեգրման ուղեցույցների.

Հիմնարար դեր ունեցող հողային հարթակ

Սովորական սխալ պատկերացումն այն է, որ կերամիկային չիփի անտենան աշխատում է ամբողջովին անկախ: Իրականում կերամիկային չիփի անտենան գործում է որպես դիպոլային համակարգի մեկ կեսը. ՊԾՆ հողավորման մակերեսը հանդիսանում է մյուս կեսը: Հողավորման մակերեսի չափսը և ձևը որոշում են անտենայի ճառագայթման արդյունավետությունն ու ընդգրկված հաճախականությունների շարքը: Նախագծողները պետք է պահպանեն արտադրողի կողմից նշված «հողավորման մաքուր տարածքը» (ՊԾՆ-ի այն տարածքը, որտեղ չկան պղնձե մակերեսներ և միացման գծեր անտենայի տակ և շուրջը), որպեսզի խուսափեն անտենայի տունինգից:

Հարմարեցման ցանցերի իրականացում

Քանի որ յուրաքանչյուր կրելի պատյան, մետաղական տարածքի դասավորությունը և պլաստիկ պահոցը փոխում են տեղական դիէլեկտրիկ միջավայրը, անտենայի մուտքային իմպեդանսը շեղվում է նոմինալ 50 Ω-ից: Անտենայի սնման կետի մոտ π-տիպ համապատասխանեցման ցանցի (որը բաղկացած է երկու զուգահեռ բաղադրիչներից և մեկ հաջորդաբար միացված բաղադրիչից՝ օգտագործելով բարձր Q ինդուկտիվություն և կապացիտետ) ներդրումը անհրաժեշտ է: Դա թույլ է տալիս ինժեներներին վերակարգավորել համակարգը ռեզոնանսի վրա պրոտոտիպավորման փուլում:

Համագոյացում և իզոլյացիա

Ժամանակակից կրելի սարքերը GPS, Wi-Fi, Bluetooth և բջջային հաղորդիչներ են պարունակում՝ միմյանցից շատ մոտ: Ընդունիչի զգայունության նվազեցման (desense) և ինտերմոդուլյացիոն աղավաղման կանխարգելման համար դիզայներները պետք է անտենաները տեղադրեն հնարավորին սահմանային հեռավորության վրա, օգտագործեն ուղղահայաց բևեռացման ուղղություններ կամ օգտագործեն սահմանային ֆիլտրներ (օրինակ՝ RSwave-ի LTCC դիէլեկտրիկ ֆիլտրներ), որպեսզի իզոլացվեն հարակից շրջանները:

5. Ապագայի միտումներ՝ հաջորդ սերնդի կերամիկային անտենաներ

Քանի որ արդյունաբերությունը շարժվում է դեպի 5G RedCap (նվազեցված հնարավորություն), Wi-Fi 6E/7 և Ուլտրա-լայն շարժական (UWB) հետևում, կերամիկային անտենաների տեխնոլոգիան շարունակում է զարգանալ.

• Պարզագոյացված և հարմարվող կերամիկա. Նյութերի հետազոտողները մշակում են ճկուն կերամիկա-պոլիմերային կոմպոզիտներ, որոնք կարող են ձևավորվել՝ հարմարվելով կրելի սարքերի կորացված մակերեսներին, ինչը մաքսիմալ օգտագործում է տարածքը.
• Անտենա փաթեթում (AiP). RF հաղորդիչ-ընդունիչ միկրոսխեմայի և կերամիկային անտենայի միավորումը մեկ կիսահաղորդչային փաթեթում՝ միջմիացման կորուստների վերացման և տարածքի նվազեցման համար.
• Բարձր թույլատրելիության նյութեր սուբ-6 ԳՀց 5G-ի համար. Նոր կերամիկային բաղադրությունների մշակում, որոնք ցածր կորուստներ ունեն բարձր հաճախականություններում, ինչը թույլ է տալիս ստեղծել բարձրարդյունավետ և փոքրացված 5G IoT սարքեր:

Եզրակացություն

Փոքրածավալ կերամիկային անտենաները հանդիսանում են կրեատիվ սարքերի հեղափոխության հիմնարար տեխնոլոգիա։ Նրանք առաջարկում են անմեղադրելի հավասարակշռություն փոքր չափսերի, մարմնի դետյունինգի դեմ դիմացկունության, բարձր հուսալիության և մակերեսային մոնտաժի հարմարության միջև, ինչը թույլ է տալիս ինժեներներին մեծացնել կրեատիվ սարքերի հնարավորությունների սահմանները։

Մշակողների համար, որոնք ձգտում են իրենց կրեատիվ սարքերի մեջ ներառել առաջատար առանց լարի հնարավորությունները աՊՐԱՆՔՆԵՐ , փորձառու RF բաղադրիչների մասնագետի հետ համագործակցությունը կարևոր է։ Jiaxing Ruishang Electronic Technology Co., Ltd. (RSwave) առաջարկում է բարձրորակ կերամիկային պատչ անտենաների, չիպ անտենաների և դիէլեկտրիկ բաղադրիչների լիարժեք շարք, որոնք նախագծված են բավարարելու համաշխարհային էլեկտրոնիկայի արդյունաբերության խիստ պահանջները։ Իրականացրեք RSwave-ի արտադրանքի շարքի հետազոտում և ստացեք տեխնիկական տվյալների թերթիկներ՝ www.rswave.com ձեր հաջորդ կրեատիվ սարքի RF նախագծման օպտիմալացման համար։