Projekt anteny 900 MHz na podłożu FR4

Dla anten, które zawierają materiały dielektryczne, projektowanie bazujące na wzorcach skalowanych z częstotliwością, gdzie wymiary anteny wzorcowej są proporcjonalne do długości fali, nie jest zalecane. Grubość i parametry elektryczne podłoża ze zmianą częstotliwości powodują wielowymiarowe i nieliniowe zmiany parametrów anteny. Antenna Magus zawiera wbudowane algorytmy projektowe które biorą te nieliniowości pod uwagę.

Po podaniu częstotliwości roboczej i parametrów podłoża, Antenna Magus oblicza projekt z parametrami fizycznymi oraz obracany model 3D anteny. Funkcja Estimate Performance może być wykorzystana do oceny parametrów zaprojektowanej anteny i obejrzenia wykresów takich, jak S11 w funkcji częstotliwości, zysk i charakterystyki promieniowania 3D, co pokazano na rysunku 5.

Modyfikacja projektu 900 MHz do projektu na podwójne pasmo 900+1800 MHz

Po powtórzeniu przedstawionego powyżej procesu projektowego dla 1800 MHz, anteny 900 GSM i 1800 GSM są eksportowane z Antenna Magus do CST Microwave Studio. W środowisku CST MWS anteny te można łatwo połączyć tak, aby uformować nową antenę na podwójne pasmo, pracującą w wyspecyfikowanych częstotliwościach GSM, jak to pokazano na rys.6. Zachowanie anteny jest modelowane w CST MWS przy użyciu algorytmu liczącego w dziedzinie czasu Time Domain Solver .

Rys. 6. Nowa antena typu PIFA (Printed Inverted 'F’ Antenna) na podwójne pasmo GSM 900+1800 MHz

Uwzględnienie ograniczeń wymiarów

Następny krok to uwzględnienie ograniczeń rozmiarów płaszczyzny masy i dodatkowych elementów i przeprojektowanie anteny w celu skompensowania efektów spowodowanych przez wprowadzone ograniczenia.

Jak już wspomniano, optymalizacja konstrukcji zawierającej miniaturową antenę modułową „z katalogu” jest dość kłopotliwa. Efekty powodowane zmianą płaszczyzny uziemienia lub wprowadzeniem dodatkowych elementów są trudne do policzenia i zależne od „wrażliwości” anteny. Przy projektowaniu własnej anteny drukowanej te same efekty dają się łatwo kompensować gdyż zarówno antenę jak i elementy zewnętrzne można łatwo uwględnić w jednym wspólnym modelu.

Antena Magus zawiera dodatkowe wskazówki projektowe objaśniające relacje między fizyczną strukturą promieniującą a typowymi parametrami takimi, jak zysk, impedancja i pasmo pracy. Informacja ta jest bardzo przydatna przy optymalizacji poszczególnych wymiarów anteny. Rys.7 pokazuje wskazówki konstrukcyjne Antena Magus dla anteny IFA.

Rys. 7. Wskazówki konstrukcyjne dla anteny typu IFA podawane przez program Antenna Magus

Wskazówki konstrukcyjne mówią, że zmniejszanie wymiarów anteny IFA, niezbędne aby zmieścić się wewnątrz danych ograniczeń przestrzennych, zmniejsza również impedancję wejściową anteny. To prawda, gdy zmniejsza się szerokość anteny tak, aby zmieścić się w granicach dopuszczalnej szerokości 12mm, część rzeczywista impedancji wejściowej spada z 50 Ω do 14 Ω. Antenna Magus podpowiada też, że można skompensować występującą dodatkową pojemność przez dołożenie odcinka linii zwierającej.

Na rysunku 8 pokazano, jak |S11| poprawia się, gdy dokłada się odcinek zwierający (Rys.9) do elementu promieniującego na częstotliwości 900 MHz.

Rys. 8. Porównanie S11 elementu IFA na pasmo 900 MHz z odcinkiem zwierającym i bez niego

Rys. 9. Element promieniujący na pasmo 900 MHz z dodatkowym odcinkiem zwierającym

Import płytki PCB i usytuowanie anteny

Funkcja importu ODB++ w CST MWS umożliwia zaimportowanie pliku opisującego oryginalny model PCB z wszystkimi ścieżkami i elementami. Po połączeniu ze sobą elementów IFA pracujących na  częstotliwościach 900 MHz i 1800 MHz, projektowana antena jest umieszczana na istniejącej płytce PCB. Wykorzystuje ona istniejące warstwy i może być z łatwością naniesiona na płytce drukowanej w ramach standardowego procesu produkcji.

Pin doprowadzający sygnał RF do anteny jest przepustem (via) który przechodzi przez środkową warstwę do mikroprocesora RF. Zaimportowana płytka PCB i umieszczony na niej model anteny drukowanej są przedstawione na rysunku 10 i rysunku 11. Długość anteny została wyregulowana tak, aby zniwelować odstrojenie spowodowane przez samą płytkę i zamontowany na niej akumulator.

Rys. 10. Płytka drukowana PCB zaimportowana do CST MWS jako plik ODB++

Rys. 11. Końcowy projekt anteny umieszczony na płytce PCB wraz z akumulatorem