Антени в съвременната електроника
Начало > Електроника > Статии > Сп. Инженеринг ревю - брой 7/2024 > 23.10.2024

Изискванията и желанието за миниатюризиране на безжичните комуникационни устройства (като следствие на по-малките пасивни елементи, микроконтролери, батерии и дисплеи) доведе до намалени размери на печатните платки и увеличена плътност на монтираните компоненти. Въпреки че тази промяна към миниатюризирана технология подпомага много области на електронния дизайн, тя също така създава проблеми при разработката на крайните радио блокове и антените за тях.
ПОДОБНИ СТАТИИ
Продуктови и технологични иновации от electronica 2022
Съвременни компоненти за глобално позициониране GNSS - част II
Интегрални схеми, модули и компоненти за NFC - част II
Поради естеството на антените, изпращащи и приемащи електромагнитни сигнали, те взаимодействат и се влияят от заобикалящата ги среда – материали с различна електро- и магнитна проницаемост, външни електромагнитни полета, взаимодействие с бързи сигнали вътре в устройството. Това създава глаболия за радио инженерите, когато се опитват да интегрират в дизайна си антена, която едновременно трябва да е малка, да има добро усилване, малки загуби/висока ефективност, както и да приема и излъчва във възможно най-широк ъгъл – всички тези изисквания са в противоречие...
Тези устройства обикновено са затворени в различни като материал и форма кутии, близко или далеч от човешкото тяло, в градска или отдалечна среда, в близост до други радиочестотни устройства и т.н. Антените които се използват, са много и най-различни типове – от класически l/4 антени (тип “rubber duck”, няма да бъдат разглеждани подробно), многослойни керамични "patch" антени, такива, формирани директно върху и във печатната платка (PCB антени върху различни видове твърди и гъвкави материали), специализирани рупорни и слот антени, както и оптически прозрачни – вградени в прозорци или дисплеи. Последни, но не последно място, са и комбинираните външни антени за товарни автомобили, автобуси, кораби и самолети, които осигуряват надеждно приемане и предаване на данни през клетъчна мрежа, сателитно позициониране и комуникация, WiFi, както и ISM честоти за допълнителни функции и контрол (например автоматични бариери, паркиране, алармени системи и др.). Обикновеното аналогово AM/FM радио също не е забравено.
Основни антенни компоненти в съвременната електроника са
керамичните многослойни антени
Керамичните антени са ключова част от портативните и миниатюрни устройства, като мобилни телефони, смарт часовници, IoT устройства – за стандарти като 4G/5G, Wi-Fi, UWB, Bluetooth и GPS/GNSS приемници и сателитни предаватели. Ето и някои от основните им характеристики:
Компактност и миниатюризация. Керамичните антени са изключително малки по размер, което ги прави подходящи за устройства с ограничено пространство. Те предлагат висока плътност на вградените функции и позволяват лесно интегриране в ограничена площ и обем.
Висока диелектрична константа. Използването на керамични материали с висока диелектрична константа позволява на антените да работят на високи честоти с минимални загуби и максимална ефективност в компактен размер.
Широколентови характеристики. Новите керамични антени предлагат възможност за работа с много честоти, което ги прави подходящи за мултибандови и мултифукнционални комуникационни устройства, като например модерните мобилни телефони, които изискват и поддържат 4G/5G, Wi-Fi, Bluetooth комуникация, GPS позициониране, дори четене на високочестотни RFID тагове.
Висока ефективност/ниски загуби и тясна или широка диаграма на насоченост. Керамичните антени са проектирани така, че да осигуряват висока ефективност при преобразуването на електрическата енергия в електромагнитни вълни (излъчване) и обратно (при приемане). Това гарантира ниски загуби, стабилна връзка, по-ниска консумация от батериите и съоветно по-дълго работно време. Относно насочеността – повечето антени са оптимизирани да приемат и предават във всички посоки, но има и приложения, които изискват насочени/секторни антени.
Добра изолация от интерференция. Благодарение на керамичните материали, тези антени са по-малко податливи на взаимодействие с околната среда. Така се намаляват или напълно се спират/филтрират ненужните сигнали и шума и се подобрява отношението сигнал/шум. Това е важно и за осигуряване на EMC (електромагнитна съвместимост) между множеството физически близко разположени електронни устройства в съвременното ежедневие.
В Таблица 1 са представени някои нови антени, предимно за GNSS позициониращи системи, а в Таблица 2 – мултибандови чип антени за G/Wi-Fi/ISM обхватите.
Тенденции в развоя и производството на керамични антени
Разработката на нови материали и технологии ще позволи още по-нататъшна миниатюризация на антените, като същевременно се поддържа или увеличава тяхната производителност. Това е особено важно за бъдещите IoT и носими устройства.
Днешните антени вече са интегрирани с малошумящи усилватели (активни антени), и в бъдеще ще бъдат интегрирани с други компоненти, като RF модули и сензори, което ще позволи създаването на по-компактни и ефективни устройства с по-ниско енергийно потребление.
С напредъка на 5G/6G и бъдещите комуникационни и сензорни технологии, керамичните антени ще се развиват, за да поддържат по-високи честотни диапазони, като милиметрови вълни (mmWave, 60 – 120 GHz – за много бърза комуникация на малки разстояния или радарни приложения).
Производството на керамични антени чрез методите на 3D печат може да доведе до създаването на персонализирани и оптимизирани антенни структури, които ще бъдат по-ефективни и ще отговарят на специфични изисквания.
От съществено значение са и екологичните решения. Разработката на антенни материали и производствени процеси с по-ниско въздействие върху околната среда ще става все по-важно, като се дава възможност за следващото използване, рециклиране или материали, които се разграждат без да вредят на природата и околната среда.
Как да изберем и работим с антени в модерната електроника
- Дефиниране на ясни изисквания за честота или няколко честоти, честотен обхват (лента) за всяка използвана честота, усилване и ефективност на антената, излъчвана мощност, диаграма на излъчване.
- Разположение и наличност на място върху печатната платка, в кутията на устройството или извън нея.
- Избор на един или няколко модела антени, от един или няколко производителя. Вече утвърдени модели с добри складови наличности или пък нов прототип, който тепърва ще се произвежда, но отговаря на специфични изисквания, които не могат да бъдат решени от съществуващите модели.
- Интегриране в едно или няколко устройства в съотвествие с изискванията на производителя, както и правилата на физиката, антенната техника и електромагнитната съвместимост.
- Изпробване на готовите прототипи и оптимизиране/съгласуване на антената за постигане на максимално добър режим на работа.
- Документиране и сертифициране на устройството, ако се изисква.
Антени за външен монтаж
Преди 20 – 25 години при споменаване на антени за външен монтаж, асоциациите бяха предимно UHF антени за телевизия, сателитни антени, гъвкави/спирални антени тип "rubber duck", както и такива за Wi-Fi, радио-релейни станции и клетъчна телефония. Първите нископрофилни антени бяха керамични “patch” антени за GPS приемници, които бяха последвани от комбинирани антени тип “перка на акула”, както и екстремни решения като 26-те антени, интегрирани в прозореца на луксозен модел на Бентли.
С усъвършенстването на софтуерните инструменти за симулация на съоветните резонанси, диаграма на насоченост и съгласуване, както и използването на нови материали и технологии и прехода към по-високи честоти, антените станаха още по-малки. Производители като Quectel, Maxtena, u-blox и Wuerth Elektronik предлагат голямо разнообразие от антени с по-няколко антенни изхода, покриващи 2G/3G/4G/5G клетъчни комуникации, Wi-Fi, GNSS, ISM честоти, представени в Таблица 3.
Антените се предлагат с различни варианти за монтаж – винтов, за залепване и дори магнитен – което ги прави лесни за инсталиране или преместване при нужда.
Снабдени са със стандартни конектори тип SMA, MCX, Fakra и т.н. и дължина на антенните кабели 3 – 5 m, като е възможно да се поръчват и специфични модификации по изискване на клиента. Степента на защита е обикновено IP68/IP69 или дори ATEX изпълнение, в зависимост от конкретното място на приложение.
Така се осигурява пълна изолация на електрониката, независимо от всякакви климатични условия или опасна околна среда/атмосфера.
Докато антените за леки коли са обикновено част от дизайна на самата кола, и са частично или напълно интегрирани, тези за товарни автомобили, стационарни приложения и подобни се предлагат като отделни компоненти и са оптимизирани за лесен монтаж и инсталиране, с минимална зависимост от използваната основа или заобикаляща среда. Това обаче не означава, че основните правила при монтирането на антени трябва да се пренебрегват – т. е. около антените трябва да има достатъчно свободно пространство, да бъдат във възможно най-висока точка, да не се монтират близко до потенциални източници на електромагнитни смущения (захранвания, инвертори, електродвигатели, релета и т.н.).
Комуникационните антени, както и радарните такива, са основна част от системите за безопасност и подпомагане на водача (Advanced driver-assistance systems ADAS). Те работят заедно с камерите и другите сензори за постигане на частична или пълна автономност.
В заключение ще представим две интересни антенни решения, които вече се използват в съвременната електроника и имат потенциал да намерят място в множество нови приложения.
Радарни слот антени
Използването на радари в автомобилната индустрия не е ново, но е приложение, което постоянно се развива и променя – наличните честоти и честотна лента стават все по-ограничени, а в същото време се изискват детекция на повече обекти за по-малко време и на по-голяма дистанция. Освен това производствените разходи трябва да бъдат ниски, а надеждността – висока. Микровълновите (mmWave) антените на специализирания в разработката на този тип решения производител Gapwaves са с малки загуби, покритие в лентата от 76 – 81 GHz, включително до 100 GHz с l/2 отстояния. Поддържат се и голям брой канали – до 48х48. Антените могат да работят на големи дистанции, с голяма разделителна способност и се използват за машинно/радарно зрение, с 4D измервания – дистанция до обекта, азимут, наклон и време. Приложенията са много – дронове и мобилни платформи (UAV/UGV) за доставки, автономни таксита, индустриална логистика. Тук се включват и стационарни приложения – пътни и инфраструктурни радари, паркинги, управление на трафика, радари за наблюдение и контрол. Антените се адаптират към различни радарни IC/чип комплекти и съоветни приложения, начини и места на монтиране (Фиг. 1)
Прозрачни антени
Антените се предлагат в най-разнообразни форми, но все още рядко се срещат такива, които са полу- или напълно прозрачни. Фамилията TFX на производителя Taoglas включва модели, които са прозрачни и са алтернатива на мултибандовите антени, реализирани върху твърда или гъвкава печатна платка (Фиг. 2).
Предназначени са за автомобилни, индустриални и комерсиални приложения. Моделът TFX257.A поддържа последните Wi-Fi стандарти, включително Wi-Fi6, честотни обхвати 2,4-2,5 GHz, 4,9-5,8 GHz, 5,9-7,125 GHz, има размери до 32х114 mm и FAKRA Code I (M) конектор. Антената TFX125.A e предназначена за работа с GNSS системи за позициониране има размери 176х37 mm и FAKRA Code C (M) конектор. Всички антени от този тип са с минимална дебелина и трябва да се монтират на разстояние поне 20 mm от метални повърхности.
Вижте още от Електроника
Ключови думи: антени, керамични антени, външни антени, радарни слот антени, прозразни антени
Новият брой 9/2024