Artykuł prezentuje łączne zastosowanie oprogramowania CST MICROWAVE STUDIO® (CST MWS), Antenna Magus i Optenni Lab w celu poprawienia konstrukcji urządzenia monitorującego pracującego w standardzie GSM. Zadanie polegało na zastąpieniu typowej obudowanej anteny katalogowej zintegrowaną anteną drukowaną w celu zmniejszenia kosztów produkcji i kosztów materiałowych. Nowa antena musiała pracować w standardowych pasmach GSM 900 MHz i 1800 MHz oraz musiała korzystać z istniejącego podłoża i warstw metalizacji, bez zmiany wielkości płytki i układu ścieżek poza obszarem samej anteny. Nowa, zintegrowana antena została zaprojektowana z wykorzystaniem aplikacji Antenna Magus w połączeniu z oprogramowaniem CST MWS co pozwoliło uniknąć niepożądanych sprzężeń i zapewnić pracę anteny w żądanych pasmach częstotliwości. Program Optenni Lab został wykorzystany do zaprojektowania układu dopasowującego.
Do czego owcy potrzebna antena?
Firma ETSE electronics z miasta Stellenbosch w RPA to ekspert w zakresie urządzeń i systemów do łączności w pasmach mikrofalowych i RF. Konstruktorzy z ETSE opracowali produkt nazwany „Celmax collar”. Jest to urządzenie śledzące systemu GPS noszone przez wybrane owce wchodzące w skład większego stada. W przypadku próby kradzieży lub innego niebezpieczeństwa spłoszone owce zaczynają biec. Urządzenie wykrywa przyspieszenie i powiadamia hodowcę przez wiadomość SMS wysyłaną przez lokalną sieć komórkową GSM.
Rys. 1. Urządzenie śledzące zamontowane w obroży na szyi owcy
Rys. 2. Pierwotna antena w urządzeniu śledzącym częściowo zasłonięta przez baterię
Na rysunku 2 pokazano pierwotną konstrukcję urządzenia z typową anteną GSM zamontowaną na płytce PCB i połączoną przez przepust z układem scalonym RF zamontowanym na drugiej stronie płytki. Częstotliwości pracy urządzenia to standardowe pasma GSM 900 (890 MHz – 960 MHz) i GSM 1800 (1710 MHz – 1879,8 MHz).
Antenna Magus i CST MWS zostały użyte do zastąpienia pierwotnej anteny drukowaną anteną dwupasmową, bez zmiany układu ścieżek i wymiarów PCB. Podłoże wykonane jest z 4 warstw laminatu FR4 o przenikalności ε = 4,44 oraz tan δ = 0,01. Maksymalna odległość pomiędzy dwiema warstwami metalizacji to 1,203 mm, a dostępna przestrzeń dla anteny to 70 mm x 10,5 mm
W przypadku miniaturowych anten z oferty katalogowej najczęściej do pomiaru parametrów anteny wykorzystuje się duże drukowane płytki testowe. Oznacza to, że rozmiar płaszczyzny uziemienia płytki używanej do testów jest często zaniedbywany. W rzeczywistości, cała struktura (w tym płytka testowa) rezonuje, determinując reaktywną impedancję anteny. W praktyce większość anten jest umieszczanych później na modyfikowanych, niejednolitych podłożach zawierających również inne elementy. Wpływa to na impedancję charakterystyczną anteny i zwykle pogarsza jej sprawność oraz inne parametry. Są sposoby kompensowania tych efektów, ale wymagają one posiadania szczegółowych informacji na temat samej anteny w celu optymalizacji całego układu. Z reguły informacje te są ograniczone, ponieważ antena jest obudowana i nie znamy jej konstrukcji.
Zalety anteny zintegrowanej
Antena zintegrowana z obwodem drukowanym ma wiele zalet w porównaniu z miniaturową anteną obudowaną, dołączaną do obwodu drukowanego. Antena drukowana jako część PCB ma mniejszy koszt jednostkowy, gdyż odpada koszt montażu a koszt anteny praktycznie zawiera się w koszcie wykonania samej płytki PCB.
Korzystając z typowego komponentu katalogowego, inżynier nie ma kontroli nad impedancją anteny ani jej parametrami po instalacji. Stosując projekt zintegrowany, można skuteczniej kompensować takie efekty, jak niedopasowanie, straty oraz sprzężenia miedzy anteną i obwodem drukowanym.
Innym bardzo ważnym czynnikiem jest całkowita sprawność anteny, która zależy przede wszystkim od dopasowania impedancji anteny do pozostałej części obwodu, jak również od strat w podłożu. Dzięki zastosowaniu konstrukcji zintegrowanej, inżynier może zasymulować kompletny projekt i skompensować wszelkie niedopasowania między modułem RF i anteną. Lepsze dopasowanie pomiędzy anteną i modułem RF skutkuje większymi zasięgami dla nadawania i odbioru. Antena o wyższej sprawności wymaga też mniejszej mocy nadawania i daje mniejszy poziom mocy odbitej do wzmacniacza. To z kolei wydłuża żywotność wzmacniacza i baterii.
Projekt wstępny w aplikacji Antenna Magus
Aplikacja Antena Magus jest szczególnie użyteczna, gdy zaczynamy nowy projekt lub udoskonalamy istniejącą konstrukcję. Dostępna duża baza anten może być skutecznie przeszukiwana, gdyż program służy pomocą gdy nie wiemy jaki typ anteny jest optymalny dla naszej aplikacji. Unikalne cechy każdej anteny są prezentowane w podsumowującej tabeli, która umożliwia użytkownikowi porównanie wielu opcji przed skoncentrowaniem się na jednej lub dwóch potencjalnych typach anten.
Anteny w Antenna Magus są oznaczone słowami kluczowymi opisującymi ich strukturę i własności, co ułatwia szukanie projektu odpowiadającego specyfikacji. Po rozważeniu różnych wariantów anten w Antenna Magus (Rys.3), wybrano drukowaną antenę typu „odwrócone F” (IFA – Inverted F Antenna). Wydała się ona być odpowiednim kandydatem z uwagi na jej małe rozmiary i dogodny kształt. Wskazówki konstrukcyjne udzielane przez program (rysunek 4) i szacunkowe parametry potwierdzają, że istnieje potencjalna możliwość wykonania takiej anteny na podłożu o danych parametrach, pracującej w wymaganych pasmach częstotliwości.
Rys. 3. Przegląd dostępnych typów anten drukowanych w programie Antenna Magus
Rys. 4. Projekt promiennika anteny typu IFA na pasmo 900 MHz na zadanym podłożu
Rys. 5. Wstępne, szacunkowe parametry robocze anteny
