влияние стека платы на печатную антенну Опции

[Almaz1988]

Добрый день.
С RF никогда не сталкивался, возникла необходимость разработать Bluetooth LE устройство.
Нашел open source pcb проект с печатной антенной. Но там указаны нетипичный диэлектрические
константы препрегов (4.4 и 4.8) и ядер (4.8).
Будет ли работать устройство (принимать Bluetooth сигнал), если я закажу плату с другим стеком?
Насколько это критично?
Если нет, то потребуется пересчитать антенну, например в HFSS ?

[ScrewDriver]

Будет рассогласована антенна - снизится дальность. Если вам критична дальность - найдите любую подходящую антенну на 2,45 ГГц для вашего стека pcb. По запросу "печатная антенна bluetooth" гугль вываливает сотни и сотни картинок с вариантами реализации.

Или например еще проще поступить: https://ru.aliexpress.com/af/bluetooth-smd-...amp;blanktest=0 - керамических чип-антенн для bluetooth в ассортименте. Припаял и забыл.

Сообщение отредактировал ScrewDriver - Nov 29 2016, 10:47

[Aner]

Ну почему же нетипичные диэлектрические константы препрегов (4.4 и 4.8) и ядер (4.8), все стандартно и типично. Пересчитывать нужно, но для серии без измерений тестов на готовой плате проблемно стартануть, промахнуться запросто можете если нет опыта. HFSS, CST, MWO, ... это только симуляционные проги, и то только с опытом работы с ними приходит понимание точности как в последующих измерениях, так и в допусках при заказе плат у того или иного производителя. Если мало опыта с RF то к примеру патчь антенна может помочь, упростить решение. Не потребуется делать расчет, пересчет, тем более для распространенного Bluetooth LE. Из особенностей нужно помнить про земляной полигон в окружении антенны, поскольку он часть антенны, чтобы получить приемлемые параметры таких антенн.

[Almaz1988]

Будет рассогласована антенна - снизится дальность. Если вам критична дальность - найдите любую подходящую антенну на 2,45 ГГц для вашего стека pcb. По запросу "печатная антенна bluetooth" гугль вываливает сотни и сотни картинок с вариантами реализации.

Или например еще проще поступить: https://ru.aliexpress.com/af/bluetooth-smd-...amp;blanktest=0 - керамических чип-антенн для bluetooth в ассортименте. Припаял и забыл.

Ого! Для чего тогда вообще заморачиваются с печатными антеннами?
А в какой среде вы моделируете печатные антенны?

[ScrewDriver]

Ого! Для чего тогда вообще заморачиваются с печатными антеннами?

Ну во-первых керамические ширпотребные антенны стали доступны сравнительно недавно. А во-вторых, они всё-таки стоят денег, а печатные в производстве бесплатные.

А в какой среде вы моделируете печатные антенны?

Для моих задач вполне хватает тупых патч-антенн или вибраторов, каковые давно людьми промоделированы и опубликованы в изобилии. А так вообще FEKO хвалят, специализированный продукт и всё такое.

[Almaz1988]

Добрый вечер. Эксперементирую с антеннами в Ansys HFSS,
с диэлектрической проницаемостью 3.4 я получаю результат как на первом фото.
Меняю значение на 3.6 - получаю график со второго фото. Т.е. изменение стека
платы лишь ослабит сигнал, но не сместит фокус на другую частоту?

Эскизы прикрепленных изображений

 

[Aner]

Так выложите антенну, проверим. И как стек меняете покажите. Как согласуете?

[Almaz1988]

Так выложите антенну, проверим. И как стек меняете покажите. Как согласуете?

Антенну пока взял из готового примера, лишь для оценки параметров.
Свою антенну спроектирую сегодня. Она уже есть в PCB-проекте (Altium), нужно
будет ее изобразить в HFSS. Сегодня вечером выложу, буду очень рад если
опытные пользователи HFSS дадут оценку)

Диэлектрическая конечно влияет на параметры антенны, но печатные проводники из которых состоит антенна влияют на параметры намного сильнее. Вы можете в том же HFSS задать параметрический расчет, и поиграться размерами антенны в режиме онлайн.
Вполне реально добиться той же кривой для другого значения проницаемости.

Вчера в первый раз сел за Ansys :-)
Чувствуется, что не хватает навыков работы. По роликам на youtube нахватался самых азов. Посоветуйте guide для проведения
параметрических расчетов? Возможно ли импортнуть pcb-плату вместе с антенной и стеком платы из среды проектирования печатных
плат (Altium) в HFSS? Возможно через промежуточный формат, например DXF ?

[ScrewDriver]

Вообще резонансная частота не может не уйти при изменении эпсилон, потому что это эквивалентно изменению геометрических размеров. Что-то не так задано.

[Almaz1988]

А вообще есть такие HFSS Guide http://anlage.umd.edu/HFSSv10UserGuide.pdf там расписаны по шагам примеры

Спасибо!
Ansoft HFSS 10 не сильно отличается от последней версии Ansys Electronic 17.2 ?

[rnj2000]

Т.е. изменение стека платы лишь ослабит сигнал, но не сместит фокус на другую частоту?

Меняя диэлектрическую проницаемость, центральная частота обязана уходить в сторону, так как по факту меняется длина волны в диэлектрике.

[Almaz1988]

Возможно и сильно, по интерфейсу надо смотреть.
Вот вдогон видео про parametric sweep https://www.youtube.com/watch?v=unIC87_4_zM
Еще есть ключевое слово optimetrics там анализ параметров и автоматический подбор под заданные условия.
Видео на русском обязательно посмотрите https://www.youtube.com/watch?v=2886U5Fs0gk

Спасибо, обязательно ознакомлюсь!

Меняя диэлектрическую проницаемость, центральная частота обязана уходить в сторону, так как по факту меняется длина волны в диэлектрике.

Коллеги, посоветуйте пожалуйста литературу в области проектирования радиочастотных плат, если таковая существует.
Для понимания влияния параметров стека платы/конструктива/компоновки на резонансную частоту/качество сигнала.

[Hale]

... немножко не о том...

Сообщение отредактировал Hale - Dec 1 2016, 02:06

[ScrewDriver]

Коллеги, посоветуйте пожалуйста литературу в области проектирования радиочастотных плат, если таковая существует.
Для понимания влияния параметров стека платы/конструктива/компоновки на резонансную частоту/качество сигнала.

Вы ставите очень масштабную задачу; я лично отучился шесть лет по специальности "радиотехнические системы" и шестнадцать лет отработал в области проектирования радиочастотных плат, но не могу сказать, что полностью понимаю все аспекты влияния конструктива/компоновки на качество сигнала. А вы хотите вот так вот сразу чтобы книгу

Пожалуй, вот навскидку Танг Чан "Высокоскоростная обработка сигналов и аналоговых систем" 2013 года - информация по практической ЭМС сложных аналого-цифровых печатных плат, и по печатным антеннам Garg R., Bhartia P. Microstrip Antenna Design Handbook.
Ну и "начальный курс черной магии" и "высший курс черной магии" - если вы готовы к такому объему и подробностям.

[Almaz1988]

Вы ставите очень масштабную задачу; я лично отучился шесть лет по специальности "радиотехнические системы" и шестнадцать лет отработал в области проектирования радиочастотных плат, но не могу сказать, что полностью понимаю все аспекты влияния конструктива/компоновки на качество сигнала. А вы хотите вот так вот сразу чтобы книгу

Пожалуй, вот навскидку Танг Чан "Высокоскоростная обработка сигналов и аналоговых систем" 2013 года - информация по практической ЭМС сложных аналого-цифровых печатных плат, и по печатным антеннам Garg R., Bhartia P. Microstrip Antenna Design Handbook.
Ну и "начальный курс черной магии" и "высший курс черной магии" - если вы готовы к такому объему и подробностям.

Спасибо :-)

Так выложите антенну, проверим. И как стек меняете покажите. Как согласуете?

Итак. Передираю вот эту плату:
https://www.nordicsemi.com/eng/Products/Blu...-Evaluation-Kit
Ту, что идет как USB dongle. Во вкладке "downloads", если перемотать в самый низ, то можно
скачать Altium-овский PCB проект этой платы:
https://www.nordicsemi.com/eng/nordic/downl...8973/7/35135178
Нам нужен проект PCA10000
Вид печатной платы - на фото "1.jpg"
Длина антенны - 27.835 мм, что примерно соответствует четверти длины волны Bluetooth LE =
2.4 ГГц. Под антенной отсутствуют полигоны земли на всех слоях платы.

Стек платы - "2.jpg"
Плата 4-ехслойная с диэлектриками различной диэлектрической проницаемостью. Горя не знал бы,
но завод изготавливает платы из материалов с другой диэлектрической проницаемостью. Поэтому
и нужно пересчитать плату. А для начала будет логично смоделировать имеющуюся плату.
Воссоздал плату в HFSS: стек платы и антенну в малейших, как мне кажется деталях. Вроде ничего не
упустил.
Ориентируясь на следующее видео задал radiation boundary и excitation port:
https://www.youtube.com/watch?v=dHvuFT6N95k

Если кому интересно, по ссылке можно скачать весь проект целиком:
https://cloud.mail.ru/public/4DS7/Txe2ouz4d
Если вдруг, проект не откроется по какой-либо причине, фото "4.jpg" - скриншот проекта.

Результаты я получил сомнительные на мой взгляд - фото "3.jpg"
Такое возможно, что у bluetooth антенны резонансная частота - 2.6 ГГц с еще большим резонансом на частоте 7.4 ГГц?

Эскизы прикрепленных изображений

 

[Almaz1988]

Сплошь и рядом, тут обычно расчет на то, что в указанном диапазоне 7ГГц резонанс не будет влиять на работу усилителя,
у которого полоса заканчивается где нибудь на 3.5ГГц.
СВЧ это вообще область вечного компромисса.

А то, что резонансная частота смещена на 2.6 ГГц - это ошибка в модели или такое тоже возможно?

[Almaz1988]

И заметьте влево в право от резонансной частоты на 100МГц даст S11=4dB что соответствует очень плохому согласованию, и потерям в антенне 50%, но
50% остаются и возможно Вам их хватит

Т.е. желательно добиваться "пологого" спуска?

Наконец хотите получить конкретный ответ, узнайте у производителя тип используемых препрегов и ядер, найдите даташиты, вбейте
в дизайн значения Er для частоты 2.5ГГц ну или в диапазоне 1ГГц..5ГГц, и тогда получите реальные данные на антенну.
А затем просто поиграйтесь с размерами антенны, можно вслепую, можно почитать по конструкции антенны и выяснить что и как в конструкции антенны
влияет на резонанс. Я не занимался антеннами, но знаю точно, все СВЧ конструкции имеют если не конечную формулу, то как минимум обоснование,
какой элемент за что отвечает.

Производитель - Резонит: http://rezonit.ru/support/technology/urgent/index.php
Диэлектрическая проницаемость дана для частоты 1 МГц.

Первый рисунок - оригинальная плата с prepeg1 = 4.4, core = 4.8, prepreg2 = 4.8. Получил резонансные частоты 2.49 ГГц и 2.64 ГГц.
Какая из них является моей целью? Нужно ли мне добиться такого усиления с препегами от Резонита?

Попробовал поиграться с диэлектрическими константами препрегов и ядра и уменьшив шаг моделирования. Задавал те значения,
что использует Резонит. Получил такие результаты:

prepeg1 = 3.9, core = 4.6, prepreg2 = 3.9. Частоты уползли на 2.54 ГГц и 2. 73 ГГц - рисунок 2.
prepeg1 = 4.2, core = 4.7, prepreg2 = 4.9. Частоты стали ближе к оригиналу - 2.48 ГГц и 2.64 ГГц. Рисунок 3.
Что если остановлюсь на последнем варианте?
Есть смысл поиграться с толщиной препрегов и ядра?
Форму антенны пока не трогал.
Если в итоге, как соберу плату и качество сигнала окажется плохим, возможно ли будет выправить ситуацию поигравшись с номиналами компонентов фильтра
антенны? Рисунок 4.

Эскизы прикрепленных изображений

 

[Almaz1988]

Программу выше подсказали RFSim должна подойти. Но тут надо разобраться в теории, я не подскажу.
Есть хороший сайт https://www.microwaves101.com/ Мекка СВЧ спецов, там есть калькуляторы и доки на все случаи жизни.

Если не хочется подбирать компоненты наугад, то нужна среда моделирования RF цепей. RFSim древняя? Что вы скажете об ADS от Keysight?

Сообщение отредактировал Almaz1988 - Dec 4 2016, 15:21

[Almaz1988]

ADS самая крутая на мой взгляд, но в освоении сложнее прочих, есть не менее эффективная AVR MWO и на нее полно рускоязычных руководств, кроме того у них прямо из среды можно загружать модель реальных резисторов, конденсаторов и индуктивностей.
Но она не такая крутая как ADS

Спасибо за советы! Есть над чем подумать :-)

[Almaz1988]

В конечном итоге, я увеличил длину антенны. Как плата придет, буду укорачивать,
в поисках наилучшего качества сигнала.
Навеяно:
http://colinkarpfinger.com/blog/2010/the-d...antenna-design/

[Hale]

Такое возможно, что у bluetooth антенны резонансная частота - 2.6 ГГц с еще большим резонансом на частоте 7.4 ГГц?

практически наверняка.
2.6x3=7.8. А с учетом дисперсии в слоеной структуре, запросто и скорее всего опустится, например до 7.4. Но на это не стоит обращать внимания, а "рубить" меш на 2.6 и свипировать вблизи этой частоты.
В HFSS вообще имеет смысл считать только вблизи частоты "нарезки" меша, т.к. все что отстоит больше чем на полдлины волны начинает быстро приобретать большую ошибку по частоте, понизить которую можно только мелкозернистой "шинковкой" модели.

Во вторых проницаемость 4.8 может быть от 3.9 до 5.0 в зависимости от частоты и типа диэлектрика.
Чтобы понять какой разброс отмоделируйте дизайн на +/10% от заложенных значений.

кстати, верно. Для достоверности надо спроектировать простые полосковые линии в разных слоях и попросить производителя их изготовить. Затем промерять на VNA и подогнать /epsilon в модели HFSS. Только после этого начинать оптимизировать антенну.

Если в итоге, как соберу плату и качество сигнала окажется плохим

для этого на плате закладывают неподсоединенные подстроечные площадки согласователей, "хвосты" четвертволновых отрезков и пр. И далее пайкой, или скальпелем по показаниям VNA. А HFSS поможет вам понять где и чего закладывать, чтобы S-параметры двигалисб в нужную сторону.

Сообщение отредактировал Hale - Dec 5 2016, 01:26

[ScrewDriver]

А то, что резонансная частота смещена на 2.6 ГГц - это ошибка в модели или такое тоже возможно?

В идеальном случае это антенна, заложенная с учетом влияния возможного корпуса, снижающего резонансную частоту близрасположенных контуров.
Однако в реальности это, скорей всего влияние допусков на диэлектрическую проницаемость и толщину диэлектрика.

Если в итоге, как соберу плату и качество сигнала окажется плохим, возможно ли будет выправить ситуацию поигравшись с номиналами компонентов фильтра антенны? Рисунок 4.

Что вы понимаете под "плохим качеством сигнала"? Сигнал будет точно таким же независимо от антенны. Уровень излучения может быть несколько ниже, если антенна рассогласована, пропорционально снизится максимальная дальность. Но если вам критична дальность - поддайте мощности, в конце концов.

Вообще, по-моему, вы слишком много уделяете внимания моделированию антенны; слишком много неучитываемых факторов и разбросов, слишком много допусков и неточностей в модели. Убедились, что антенна на этом диэлектрике попадает в нужный диапазон - и двигайтесь дальше. Скорей всего, эффективность антенны будет в готовом изделии вас беспокоить меньше всего.

По поводу фильтра - поскольку номиналы элементов соизмеримы с паразитными, он потребует ручного подбора - это 100%.
Так же, скорей всего, потери в нем будут такими, что полностью компенсируют выигрыш от улучшенного согласования, а то и перевесят его.
Сделайте тестовые отводы на плате на краевые разъемы SMA и покаскадно отрабатывайте - сначала антенну на 50 Ом, потом фильтр на антенну.

[Almaz1988]

кстати, верно. Для достоверности надо спроектировать простые полосковые линии в разных слоях и попросить производителя их изготовить. Затем промерять на VNA и подогнать /epsilon в модели HFSS. Только после этого начинать оптимизировать антенну.

Кто-нибудь работал с таким:
http://miniradiosolutions.com/54-2/
Стоит брать?

По поводу фильтра - поскольку номиналы элементов соизмеримы с паразитными, он потребует ручного подбора - это 100%.
Так же, скорей всего, потери в нем будут такими, что полностью компенсируют выигрыш от улучшенного согласования, а то и перевесят его.
Сделайте тестовые отводы на плате на краевые разъемы SMA и покаскадно отрабатывайте - сначала антенну на 50 Ом, потом фильтр на антенну.

У меня плата получилась дорогущей из-за нестандартного стека. Я думаю отладить Bluetooth на стандартном стеке, - развести для этого макетку
с SMA разъемами: отдельно для антенны и отдельно для микроконтроллера с обвязкой. Правильно я понимаю, что для отладки (согласования)
импедансов мне понадобится LCR-meter, а для калибровки антенны(скальпелем) - VNA?
Есть какой-либо guide/статья о подобной отладке?

[ScrewDriver]

Правильно я понимаю, что для отладки (согласования)
импедансов мне понадобится LCR-meter, а для калибровки антенны(скальпелем) - VNA?
Есть какой-либо guide/статья о подобной отладке?

Если бы такую работу можно было бы выполнить, почитав гайд и проконсультировавашись на форуме, кто и за что бы нам, радистам, платил зарплаты?

Настроить можно и без всего. Сначала подключить к передатчику и приемнику стандартные СМАшные антенны на 2,4, связать передатчик и приемник, запустить измеритель уровня сигнала, хоть http://www.the-sz.com/products/bennett/ - сначала подбором элементов фильтра добиться максимального уровня сигнала на приемнике, потом подключить к передатчику вместо штыря печатную антенну и подрезанием или напайкой добиться опять максимального уровня.

Сообщение отредактировал ScrewDriver - Dec 8 2016, 12:15