Antena na PCB vs ceramiczna

W tym artykule chciałbym podzielić się swoimi doświadczeniami związanymi z tematem dobierania i projektowaniem anten. Jest to jedna z najważniejszych kwestiach w przypadku projektowania urządzeń, w których używamy jakichś układów komunikacji radiowej.
W większości moich projektów są to częstotliwość 2,4 GHz oraz 868 MHz. Poniżej opiszę swoje doświadczenia dotyczące projektowanie anten 2,4GHz.

Anteny ceramiczne

Na rynku można znaleźć bardzo dużo anten ceramicznych, w różnych rozmiarach. Jedną z anten ceramicznych, z którymi miałem do czynienia była antena FUSCA z firmy Antenova m2m o bardzo mały rozmiarach – zaledwie 4mm na 3 mm:

Można ją używać do układów pracujących od 2,4GHz do 2,5GHz przez co można ją używać do wszelkich rodzajów modułów Bluetooth, Wi-Fi czy innych komunikacji 2,4GHz. W dokumentacji do modułu znajdziemy dwa wykresy:

 

Retrun Loss – zdefiniowana jest jako moc sygnału odbitego do mocy sygnału nadawanego – im mniejsza wartość w dBm tym lepiej. Zwróćmy uwagę że zbocz tej charakterystyki w okolicy minimum są dość ostre.

VSWR – jest to tz. współczynnik fali stojącej – określa stopień dopasowania anteny do linii zasilającej. Im wartość bliższa jedności tym antena lepiej jest dostrojona.
Aby dopasować impedancje pomiędzy wyjściem sygnału RF a wejściem anteny należy, w przypadku anteny ceramicznej, użyć filtru typu PI lub T. Oznacza to że musimy dopasować wartości 3 elementów ( w przypadku filtru PI: dwóch kondensatorów i dławika, w przypadku filtru T: jednego kondensatora i dwóch dławików). Gdy nie mamy do dyspozycji odpowiedniego sprzętu tz: analizatora widmowego pokrywającego częstotliwość 2,4GHz, a najlepiej wektorowego analizatora widmowego, jest to bardzo trudne, a w niektórych przypadkach, wręcz niemożliwe.

W takim przypadku jednie co ewentualnie można zrobić to losowo dobierać elementy i oceniać na podstawie siły sygnału czy jest lepiej czy gorzej. Problem z takim podejściem jest taki, że anteny nie mają idealnej charakterystyki dookolnej i tak naprawdę trzeba byłoby to jeszcze sprawdzać w kilku konfiguracjach obrotu i wyciągać jakąś wartość średnią. Można także zamówi usługę dopasowania impedancji anteny w specjalistycznym laboratorium. Większość producentów anten posiada taką usługę, jej koszt wynosi od 400 do 2000$. Laboratorium, oprócz dobraniu odpowiednich wartość elementów dla filtru typu T lub Pi wyznaczy także charakterystyki kierunkowe promieniowania anteny. Tak czy owak używanie anten ceramicznych w projektach amatorskich może okazać się dość problematyczne.

Anteny PCB

Z punktu widzenia konstruktora anteny ceramiczne posiadają dużo zalet. Przede wszystkim, jako że jest to po prostu określona ścieżka na PCB ich koszt jest praktycznie zerowy ( zawiera się w koszcie płytki PCB ). W internecie można znaleźć bardzo dużo dokumentów opisujących jak zrobić taką antenę. W swoich projektach używam dwóch typó anten w zależności od tego ile miejsca mam na PCB. Jeżeli niewiele to używam anteny opisanej w dokumencie od ST: AN3359.

a jeżeli mam bardzo dużo miejsca na płytce to używam anteny, która została użyta w evalboarda’ch z mikrokontrolerami nRF51 i nRF52:

Kolejną zaletą jest “łatwość” dopasowywania impedancji. W przypadku anten na PCB wystarczy kondensator do masy zasilania na początku anteny ( oczywiście można zastosować filtr Pi lub T ). Dopasowanie impedancji polega na wybraniu odpowiedniej wartość kondensatora oraz na przycięciu anteny na odpowiednią długość. Oczywiście najlepiej jest użyć do tego analiaztora widmowego, ale można także “na oko” przycinać antenę i sprawdzać RSSI sygnału w jakimś odbiorniku czy jest lepszy czy gorszy.
Charakterystyka kierunkowa wyżej wymienionych anten jest bardzo dobra. W promieniu 2/3 metrów od odbiornika cięzko znałeś dziury w zasięgu.

Podsumowanie

W projektach amatorskich zdecydowanie bardziej polecam stosować anteny na PCB niż ceramiczne. Nawet bez żadnego dopasowania anteny na PCB działają. W przypadku anteny ceramicznej, bez dopasowania impedancji, antena może w ogóle nie zadziałać.

 

 

 

Posted in Artykuły.

One Comment

  1. Fckin amazing things here. Im very glad to see your post. Thanks a lot and i’m looking forward to contact you. Will you kindly drop me a mail? caeakecfeedc

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *