В эпоху повсеместной беспроводной связи проектирование ВЧ антенн на печатных платах стало критически важным навыком для инженеров, разрабатывающих устройства от 5G-смартфонов до IoT-датчиков. Современные антенны должны сочетать ограничения по размеру, требования к производительности и стоимость изготовления, работая в диапазоне частот от субгигагерцовых до миллиметровых волн. Это руководство исследует принципы, методы и практические аспекты проектирования высокопроизводительных антенн на печатных платах, соответствующих строгим требованиям современных беспроводных систем.

1. Основы проектирования антенн на печатных платах для ВЧ-приложений

Антенны на печатных платах обладают уникальным преимуществом интеграции непосредственно на плату, устраняя необходимость во внешних антеннах и снижая общую стоимость системы. На высоких частотах антенна становится продолжением ВЧ-цепи, что требует тщательного выбора материалов, геометрии и окружающей среды.

Ключевые параметры, определяющие производительность антенны: резонансная частота, полоса пропускания, диаграмма направленности, коэффициент усиления и эффективность. Для типичной патч-антенны на подложке FR4 на частоте 2,4 ГГц длина волны в диэлектрике составляет около 60 мм, что позволяет реализовать четвертьволновые структуры даже в компактных устройствах. Однако для 5G-приложений на частоте 28 ГГц длина волны сокращается до 5 мм в подложке, что требует исключительной точности изготовления.

Выбор материалов критически влияет на производительность антенны. Низкопотеристые подложки, такие как Rogers RO4003C (εr=3.38, tanδ=0.0027), обеспечивают лучшую эффективность по сравнению со стандартным FR4, особенно выше 1 ГГц. Диэлектрическая проницаемость влияет на размер антенны — более высокий εr позволяет уменьшить размеры, но снижает полосу пропускания и эффективность. Для высокоскоростных печатных плат, сочетающих цифровую обработку с беспроводной связью, гибридные структуры с разными материалами для антенн и цифровых секций оптимизируют производительность и стоимость.

2. Типы ВЧ антенн на печатных платах и их применение

Различные типы антенн подходят для разных приложений в зависимости от частоты, ограничений по размеру и требований к производительности. Понимание компромиссов позволяет оптимально подобрать антенну для конкретного случая.

Микрополосковые патч-антенны

Патч-антенны остаются самым популярным выбором для интеграции на печатные платы благодаря низкому профилю и простоте изготовления. Размеры прямоугольной патч-антенны составляют примерно λ/2 × λ/2, где λ — длина волны в подложке. Для антенны WiFi 5,8 ГГц на Rogers RO4350B (εr=3.48):

• Ширина патча: 16,2 мм для оптимального излучения
• Длина патча: 15,8 мм с учетом краевых полей
• Земляная плоскость: минимум 3× размеры патча
• Типичный коэффициент усиления: 6-8 дБи Усовершенствованные конструкции включают:
• Сложенные патчи для увеличения полосы пропускания (достижимо 10-15%)
• Паразитные элементы для управления лучом
• Щелевая связь для улучшения изоляции
• Воздушные зазоры между слоями подложки для повышения эффективности

Антенны типа Inverted-F и монопольные

Для компактных устройств, требующих всенаправленной диаграммы направленности, антенны типа Inverted-F (IFA) и печатные монополи предлагают отличные решения. Эти антенны особенно подходят для:

• Модулей Bluetooth/WiFi, требующих 360° покрытия
• Датчиков IoT с ограничениями по размеру
• Носимых устройств, требующих конформных конструкций

Ключевые аспекты проектирования:

• Размер заземляющей плоскости влияет на резонансную частоту (типичное отклонение 20%)
• Расположение точки питания контролирует импеданс (критично согласование 50Ω)
• Извилистость увеличивает электрическую длину в ограниченном пространстве
• Запретные зоны предотвращают расстройку от близлежащих компонентов

MIMO и антенные решетки

Современные беспроводные стандарты, такие как 5G и WiFi 6, требуют конфигураций с множеством входов и выходов (MIMO). Антенные решетки для 5G PCB представляют уникальные задачи:

• Расстояние между элементами: минимум 0.5λ для декорреляции
• Взаимная связь: <-15dB между элементами
• Управление фазой: точность ±5° для формирования луча
• Фидерные сети: Равномерное распределение амплитуды/фазы

Корпоративные фидерные сети с использованием делителей Уилкинсона обеспечивают правильное распределение мощности при сохранении изоляции между элементами.

3. Методология проектирования высокопроизводительных PCB-антенн

Успешное проектирование антенн следует системному подходу от спецификации до валидации. Эта методология обеспечивает успех с первой попытки и оптимальную производительность.

Анализ спецификаций и ограничений

Начните с определения четких требований:

• Частотные диапазоны: Центральная частота и полоса пропускания
• Диаграмма направленности: Направленная vs всенаправленная
• Целевое усиление: Учет бюджета связи системы
• Ограничения по размеру: Доступная площадь PCB
• Окружающая среда: Влияние температуры, влажности
• Нормативные требования: Соответствие FCC/CE

Электромагнитное моделирование и оптимизация

Современное проектирование антенн в значительной степени опирается на 3D электромагнитное моделирование. Инструменты, такие как CST Studio Suite, Ansys HFSS и Keysight ADS, позволяют точно предсказать производительность антенны до изготовления.

Рабочий процесс моделирования:

1. Начальная геометрия на основе аналитических формул
2. Определение материалов, включая точные εr и tanδ
3. Уточнение сетки для минимального разрешения λ/20
4. Параметрический анализ для оптимизации размеров
5. Влияние окружения, включая корпус и компоненты
6. Анализ допусков для производственных вариаций

Ключевые метрики для оптимизации:

• S11 <-10dB в рабочей полосе
• Эффективность излучения >70% (минимум >50%)
• Стабильность диаграммы направленности по частоте
• Удельный коэффициент поглощения (SAR) для носимых устройств

Производственные аспекты

Производство PCB-антенн требует более жестких допусков по сравнению с обычными печатными платами. Критическими параметрами являются:

• Допуск травления: ±25 мкм влияет на резонансную частоту
• Толщина подложки: отклонение ±10% смещает частоту на 2-3%
• Шероховатость меди: влияет на эффективность в мм-волновом диапазоне
• Паяльная маска: избегайте нанесения над антенными областями (вызывает смещение частоты)
• Размещение переходных отверстий: точное позиционирование для согласования импеданса

Для многослойных PCB-антенн совмещение слоев должно сохраняться в пределах ±50 мкм для предотвращения искажения рисунка.

4. Передовые технологии интеграции мм-волновых антенн

С переходом беспроводных систем на миллиметровые волны для 5G и автомобильных радаров проектирование антенн становится все более сложным. На частотах 28 ГГц и выше традиционные подходы не работают из-за чрезмерных потерь и производственных допусков.

Решения "Антенна в корпусе" (AiP)

Технология AiP интегрирует антенны внутри корпуса ИС, минимизируя потери и обеспечивая высокую интеграцию. Ключевые аспекты проектирования:

• Выбор подложки: материалы с низкими потерями (органические или LTCC)
• Переходные отверстия: оптимизированы для минимальных отражений
• Теплоотвод: термопереходные отверстия под активными схемами
• ЭМС-экранирование: разделение между RF-блоками

Наши решения AiP обеспечивают:

• Эффективность >60% на 28 ГГц
• Полосу пропускания >2 ГГц для диапазонов 5G n257/n258
• Угол сканирования луча ±60° для фазированных решеток
• Интеграцию с трансиверами и фронтенд-модулями

Антенны на основе подложечного интегрального волновода (SIW)

Технология SIW позволяет создавать антенные конструкции с низкими потерями выше 20 ГГц с использованием стандартных PCB-процессов. Решетки переходных отверстий формируют волноводные структуры с отличными характеристиками:

• Снижение потерь: на 50% меньше, чем у микрополосковых линий на 60 ГГц
• Высокая изоляция: >40 дБ между соседними элементами
• Мощность: превосходит планарные структуры
• Интеграция: совместимость с пассивными компонентами

Правила проектирования:

• Диаметр отверстий: d < λg/5
• Шаг отверстий: p < 2d
• Ширина SIW: рассчитывается по формулам для прямоугольных волноводов
• Переходы: плавные микрополосковые-SIW

5. Тестирование и валидация PCB-антенн

Комплексные испытания гарантируют соответствие антенн спецификациям в рабочих условиях. Наш процесс валидации включает корреляцию моделирования, измерения прототипов и производственные тесты.

Измерения в безэховой камере

Профессиональная характеристика антенн требует тестирования в безэховой камере:

• 3D диаграммы направленности с угловым разрешением 1°
• Измерение усиления методом сравнения
• Расчет эффективности путем интегрирования диаграммы
• Поляризация, включая уровни кросс-поляризации
• Преобразование ближнего поля в дальнее для больших решеток

Наша компактная измерительная установка поддерживает частоты от 700 МГц до 90 ГГц с погрешностью <0.5 дБ.

Тестирование анализатором цепей

Измерения S-параметров подтверждают согласование импеданса:

• Потери на отражение в зависимости от частоты и температуры
• Активные S-параметры для MIMO-конфигураций
• Анализ во временной области для отладки
• Диаграмма Смита для проектирования согласующих цепей

Производственные испытания используют упрощенные методики:

• Измерение S11 в одной точке на центральной частоте
• Тестирование "годен/не годен" с допуском ±2 дБ
• Статистический контроль процесса для мониторинга тенденций

Натурные (OTA) характеристики

Системные испытания оценивают полную беспроводную производительность:

• Общая излучаемая мощность (TRP)
• Общая изотропная чувствительность (TIS)
• Величина вектора ошибок (EVM)
• Тестирование пропускной способности
• Совместимость с другими радиосистемами

Эти измерения гарантируют соответствие реальной производительности ожиданиям.

6. Почему стоит выбрать HILPCB для проектирования и производства PCB-антенн

HILPCB сочетает экспертизу в проектировании антенн с передовыми производственными возможностями для предоставления комплексных беспроводных решений:

• Услуги проектирования: Полноволновое моделирование, оптимизация и прототипирование
• Материалы: Полный ассортимент низкопотерьных RF-подложек
• Производство: Допуск ±25 мкм, контролируемый импеданс ±5%
• Тестирование: Безэховая камера, анализатор цепей и OTA-валидация
• Интеграция: Полный RF-тракт, включая фильтры и усилители
• Поддержка: Анализ проекта, DFM-оптимизация и устранение неисправностей

Наши инженеры успешно разработали антенны для:

• 5G базовых станций и малых сот (3.5/28/39 ГГц)
• Автомобильных радаров (24/77 ГГц)
• Точек доступа WiFi 6/6E
• IoT-датчиков и носимых устройств
• Спутниковой связи

---

7. Часто задаваемые вопросы (FAQ)

В1: Как подложка PCB влияет на характеристики антенны?
О: Диэлектрическая проницаемость подложки определяет размер антенны (чем выше εr, тем меньше антенна), а тангенс потерь влияет на эффективность. Низкопотерьные материалы, такие как Rogers RO4003C, повышают эффективность на 20-30% по сравнению с FR4, особенно выше 1 ГГц.

В2: Какой минимальный размер заземляющей плоскости для патч-антенн?
О: Заземляющая плоскость должна выходить за края патча минимум на λ/4 для стабильной работы. Меньшие размеры смещают резонансную частоту до 10% и искажают диаграмму направленности. Для 2.4 ГГц на FR4 минимальный размер плоскости 60×60 мм.

В3: Как уменьшить взаимную связь в MIMO-антеннах?
О: Соблюдайте расстояние λ/2 между элементами, ориентируйте антенны ортогонально, используйте развязывающие структуры (щели, паразитные элементы) и нейтрализующие линии. Цель — изоляция <-15 дБ для хорошей MIMO-производительности.

В4: Можно ли использовать FR4 для 5G антенн миллиметрового диапазона?
О: FR4 имеет чрезмерные потери (>2 дБ/см) выше 10 ГГц, что делает его непригодным для ммВолн. Используйте низкопотерьные материалы, такие как Rogers RO3003 (потери <0.5 дБ/см на 28 ГГц).

В5: Как близлежащие компоненты влияют на антенну?
О: Металлические компоненты в пределах λ/4 расстраивают антенну и искажают диаграмму. Соблюдайте защитные зоны 5-10 мм, используйте RF-экраны и моделируйте с реальным расположением компонентов.

В6: Какая типичная эффективность у PCB-антенн? A: Хорошо спроектированные PCB-антенны достигают эффективности 70-85% на субстратах с низкими потерями и 50-70% на FR4. Эффективность снижается с увеличением частоты из-за потерь в проводнике и диэлектрике. Маленькие антенны (<λ/10) редко превышают 30% эффективности.

Готовы начать проект по разработке антенны?

Наши RF-инженеры специализируются на создании высокопроизводительных PCB-антенн для требовательных беспроводных приложений. Свяжитесь с нами для консультации по проектированию и решений по производству.

Запросить расчёт стоимости разработки антенны