Mažų keramikos antenų naudojimas nešiojamuosiuose įrenginiuose: taikymo sritys, projektavimo iššūkiai ir perspektyvos

Pasaulinė nešiojamųjų technologijų rinka patiria didžiulę transformaciją. Anksčiau apribojus tik paprastais kūno veiklos stebėjimo prietaisais ir skaitmeniniais laikrodžiais, šiandien nešiojamieji įrenginiai apima sudėtingus medicininio lygio sveikatos stebėjimo prietaisus, protingus žiedus, pramonės saugos įrangą ir pažangias papildytosios realybės (AR) akinių sistemas. Kai vartotojai ir įmonių naudotojai reikalauja elegantiškesnių dizainų, ilgesnio baterijos tarnavimo laiko ir patikimos daugiopės jungiamumo galimybės, įrenginių gamintojams tenka susidurti su beprecedentiniais inžineriniais iššūkiais.

Tarpščia šių iššūkių, RF (radijo dažnio) projektavimas, matyt, yra svarbiausias. Nešiojamųjų įrenginių viduje turi būti įmontuotos kelių rūšių antenos – nuo Bluetooth ir Wi-Fi iki GPS/GNSS bei mobiliųjų IoT (NB-IoT/LTE-M) – labai ribotame fizinėje erdvėje. Šioje kontekste mažosios keraminės antenos tapo aukso standartu nešiojamųjų belaidžių sistemų projektavime.

Kaip pirmaujantis RF mikrobangų komponentų kūrėjas ir gamintojas, „Jiaxing Ruishang Electronic Technology Co., Ltd.“ (RSwave) (aplankykite www.rswave.com ) specializuojasi aukšto naudingumo dielektrinėse ir keraminėse antenose, kurios atitinka šiuolaikinių nešiojamųjų įrenginių ribotų erdvių ir didelės efektyvumo reikalavimus. Šiame straipsnyje aptariama, kaip veikia mažosios keraminės antenos, jų unikalūs privalumai nešiojamuosiuose įrenginiuose, projektavimo metodologijos bei jų perspektyvos IoT ekosistemoje.

1. Mažųjų keraminių antenų supratimas: dielektrinio apkrovimo pranašumas

Norint suprasti, kodėl keraminės antenos yra idealios nešiojamiesiems įrenginiams, būtina ištirti antenos dydžio fiziką. Tradicinės rezonansinės antenos (pvz., PCB laidų antenos ar lazdelės antenos) fizinis dydis tiesiogiai proporcingas signalo bangos ilgiui (λ), kurį ji yra sukurtа perduoti ar priimti.

Pavyzdžiui, 2,4 GHz Bluetooth signalo bangos ilgis laisvoje erdvėje yra apytiksliai 12,5 cm. Standartinė pusės bangos dipolinė antena turėtų būti maždaug 6,2 cm ilgio, kas yra žymiai per didelis dydis protingajam žiedui ar kompaktiškam pritvirtinamajam sporto juostelėms.
Keraminės antenos šią ribotumą įveikia dielektrinio apkrovimo efektu. Elektromagnetinės bangos, kurią skleidžia medžiaga, bangos ilgis yra atvirkščiai proporcingas medžiagos santykiniam leistamumui (arba dielektriniam koeficientui, ϵr):
λmedium = λfree_space / √ϵr
Naudojant pažangias keramines medžiagas su aukšta dielektrinės skvarbos konstanta (paprastai nuo ϵr = 10 iki daugiau nei 90), gamintojai gali žymiai suspausti elektromagnetinę bangą keraminėje pagrindo dalyje. Tai leidžia keraminiam antenoms pasiekti rezonansą norimoje dažnio srityje, užimdamos tik nedidelę dalį fizinės erdvės, kurios reikia tradicinėms antenoms.

2. Pagrindiniai keraminių antenų privalumai nešiojamuosiuose įrenginiuose

Nešiojamųjų įrenginių kūrėjams miniatiūrinės keraminės antenos (pvz., keraminės mikroschemos antenos ir keraminės skaitmeninės antenos) suteikia keletą aiškių pranašumų prieš PCB laidų antenas arba metalines spaustas antenas:

Ekstremaliai mažas plotas

Keraminės mikroschemos antenos gali būti tokios mažos kaip 3,2 × 1,6 mm ar net 1,6 × 0,8 mm 2,4 GHz taikymams. Šis minimalus plotas atlaisvina vertingą PCB vietą kitoms svarbioms komponentėms, pvz., mikrovaldikliams, jutikliams ir didesnėms baterijoms.

Žmogaus kūno išsiderinimo (kūno apkrovos) atsparumas

Žmogaus kūnas sudarytas daugiausia iš vandens, kuris veikia kaip nuostolingoji dielektrinė medžiaga su aukšta leistinąja jautriąja (ϵr≈50 iki 80, priklausomai nuo audinio tipo). Kai įprastinė antena yra arti žmogaus kūno, kūnas sugeria RF energiją ir nuleidžia antenos rezonanso dažnį žemyn (išsiderina).

Keraminės antenos, nes jos susikaupia elektromagnetinį lauką labai glaudžiai savo aukštos leistinosios jautrios keraminėse šerdies viduje, yra žymiai mažiau jautrios žmogaus kūno artumui. Ši savybė užtikrina stabilų belaidžio ryšio veikimą, nepriklausomai nuo to, ar įrenginys dėvimas ant riešo, piršto ar galvos.

Visakryptiniai spinduliavimo šablonai

Nešiojamieji įrenginiai visada yra judėjime. Išmanioji laikrodžio rankenėlė turi išlaikyti savo GPS ryšį arba Bluetooth ryšį, nepriklausomai nuo to, ar vartotojas bėga, plaukia ar moja rankomis. Keraminiai mikroschemų antenos suteikia beveik izotropinius spinduliavimo modelius, užtikrindamos patikimą daugia kryptinę apimačiąją zoną, kuri mažina signalo praradimą judant.

Gamintoji paprastumas (SMT suderinamumas)

Skirtingai nuo laidų antenų ar specialiai išspaudytų metalinių antenų, kurios reikalauja rankinės surinkimo ar sudėtingų mechaninių korpusų, keraminės mikroschemų antenos yra paviršiaus montavimo įrenginiai (SMD). Jų galima automatiškai pakelti ir padėti ant spausdintosios grandinės plokštės (PCB) naudojant standartines aukšto greičio automatizuotas surinkimo linijas, todėl sumažėja gamybos kaštai ir pagerėja gamybos našumas.

3. Pagrindinės taikymo sritys nešiojamųjų technologijų srityje

Mažosios keraminės antenos naudojamos įvairiuose belaidžiuose protokoluose nešiojamųjų technologijų srityje:

A. Aukštos tikslumo GNSS / GPS stebėjimas

Išmaniesiems laikrodžiams, lauko sporto sekimo įrenginiams ir vyresnio amžiaus žmonių stebėjimo priemonėms patikima palydovinė pozicionavimo sistema yra būtina. Kadangi GPS signalai, sklindantys iš vidutinės Žemės orbitos, pasiekdami žemę būna silpni, reikalingos labai efektyvios antenos.

Šioms programoms dažniausiai naudojamos keraminės skiltinės antenos (pvz., RSwave neaktyvios dielektrinės skiltys). Šios antenos naudoja apskritąją poliarizaciją (RHCP), kad derėtų su GPS/GLONASS palydovų signalais, užtikrindamos didelį stiprinimą ir puikią daugkartinio signalo atspindžio (multipath) atsparumą kompaktiškuose 10×10 mm arba 12×12 mm gabarituose.

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

BLE yra neatskiriama nešiojamųjų įrenginių duomenų sinchronizavimo pagrindas, jungiantis išmaniuosius juostelės pavidalo įrenginius su išmaniaisiais telefonais. Mikro-nešiojamiesiems įrenginiams, tokiems kaip išmanieji žiedai ar ausinės, ypač svarbios yra itin mažos 2,4 GHz keraminės mikroschemų antenos. Jos leidžia be trukdžių perduoti garso signalus ir biometrinius duomenis, vienu metu tilpdamos į išlenktus, itin kompaktiškus korpusus.

C. Lankstieji naršymo interneto įrenginiai (NB-IoT ir LTE-M)

Kai nešiojamieji įrenginiai vis labiau atsiskleidžia nuo išmaniuosius telefonus, daugelis jų integruoja lankstųjį ryšį. Lankstieji dažnių ruožai (nuo 700 MHz iki 2,2 GHz) reikalauja platesnio juostos pločio. RSwave mažų daugiadažnių keramikinių antenų leidžia kompaktiškams įrenginiams tiesiogiai jungtis prie lankstųjų tinklų, leisdami realaus laiko sveikatos stebėjimą ir avarinį sekimą.

4. RF inžinerija ir integravimo geriausios praktikos

Nors keraminės antenos suteikia reikšmingų privalumų, jų veikimas labai priklauso nuo pagrindinės spausdintosios grandinės plokštės (PCB) išdėstymo. Norint pasiekti optimalų veikimą ir išlaikyti reguliavimo sertifikatus (pvz., FCC/CE), RF dizaineriai turi laikytis kelių integravimo gairių:

Žemės plokštės lemiamoji reikšmė

Dažna neteisinga įsitikinimo forma yra ta, kad keraminės čipų antenos veikia visiškai nepriklausomai. Iš tikrųjų keraminė čipų antena veikia kaip dipolio sistemos viena pusė; PCB žemės plokštuma veikia kaip kita pusė. Žemės plokštumos dydis ir forma nulemia antenos spinduliavimo naudingumą ir juostos plotį. Projektuotojai privalo laikytis gamintojo nurodytos „žemės išvalymo zonos“ (PCB srities be vario plokštumų ir laidų tiesiai po antena ir aplink ją), kad būtų išvengta nustatymo išsukimo.

Tinkinimo tinklų įdiegimas

Kadangi kiekvienas nešiojamųjų įrenginių korpusas, baterijos vieta ir plastikinė dėžutė keičia vietinę dielektrinę aplinką, antenos įėjimo impedansas nukryps nuo nominalios 50 Ω reikšmės. Būtina įtraukti π tipo pritaikymo tinklą (susidedantį iš dviejų lygiagrečių komponentų ir vieno nuoseklaus komponento, naudojant aukštos kokybės induktyvumus ir kondensatorius) šalia antenos maitinimo taško. Tai leidžia inžinieriams sureguliuoti sistemą atgal į rezonansą prototipavimo etape.

Sutapimas ir izoliacija

Šiuolaikiniai nešiojamieji įrenginiai integruoja GPS, „Wi-Fi“, „Bluetooth“ ir mobiliųjų ryšių perdavimo įrenginius labai arti vienas kito. Kad būtų išvengta imtuvo jautrumo sumažėjimo („desense“) ir tarpmoduliacinės iškraipymų, projektuotojai turi antenas išdėstyti kuo toliau viena nuo kitos, naudoti statmenas poliarizacijos orientacijas arba naudoti juostos pralaidumo filtrus (pvz., RSwave LTCC dielektrinius filtrus), kad būtų izoliuotos gretimos dažnių juostos.

5. Būsimi trendai: naujos kartos keraminės antenos

Kai pramonė juda link 5G RedCap (sumažintos galimybės), Wi-Fi 6E/7 ir ultraplatumos juostos (UWB) stebėjimo, keraminės antenos technologija toliau vystoma:

• Lankstios ir pritaikytos keraminės medžiagos: medžiagų tyrinėtojai kūria lankstias keramikos–polimerų kompozicijas, kurios gali būti formuojamos taip, kad priderėtų prie neapvalių nešiojamųjų įrenginių korpusų paviršių, maksimaliai padidinant vietos naudingumą.
• Antena paketo viduje (AiP): RF perdavimo priemonės mikroschema ir keraminė antena integruojamos į vieną puslaidininkinį paketą, kad būtų pašalinti jungčių nuostoliai ir sumažintas plotas.
• Aukštos dielektrinės skvarbos medžiagos sub-6 GHz 5G sistemoms: naujų keraminės sudėties medžiagų kūrimas su mažu nuostolių tangentu aukštesnėse dažnių srityse, leidžiantis sukurti labai efektyvius ir miniatiūrius 5G IoT įrenginius.

Išvada

Mažosios keraminės antenos yra esminė technologija, leidžianti pradėti nešiojamųjų įrenginių revoliuciją. Siūlydamos nepasiektą kompaktiškumo, atsparumo kūno sukeltam derinimo sutrikdimui, aukštos patikimumo ir paviršiaus montavimo patogumo derinį, jos leidžia inžinieriams išplėsti nešiojamųjų technologijų galimybes.

Kūrėjams, kurie nori integruoti naujausias belaidžio ryšio galimybes į savo nešiojamuosius produktai , svarbu bendradarbiauti su patyrusiu RF komponentų specialistu. „Jiaxing Ruishang Electronic Technology Co., Ltd.“ (RSwave) siūlo išsamią aukštos kokybės keraminės skiltelės antenų, mikroschemų antenų ir dielektrinių komponentų kolekciją, kurios sukurtos atitikti globalios elektronikos pramonės griežtus reikalavimus. Išnagrinėkite RSwave produktų asortimentą ir pasiekite technines technines datasheetes adresu www.rswave.com norėdami optimizuoti savo kitą nešiojamųjų įrenginių RF projektą.