Устранение зон запрета (Keep-Out) на печатных платах: проектирование антенных подсистем 2,4 ГГц над сплошным слоем заземления

Системный инженерный контекст и конструктивные компромиссы

Во встраиваемых системах с жёсткими ограничениями по габаритам, таких как носимые медицинские мониторы, промышленные узлы IoT, микротрекеры и датчики умного дома, площадь печатной платы (PCB) относится к самым ценным ресурсам. Разработчикам постоянно приходится искать компромисс между плотностью размещения компонентов, многослойной трассировкой, ёмкостью аккумулятора и характеристиками антенны.

Традиционные антенны диапазона 2,4 ГГц (четвертьволновые штыревые, PIFA, чип-антенны, печатные антенны в виде меандра или петли) требуют выделенных зон без заземляющего слоя (зон запрета, keep-out). В таких конструкциях медный слой заземления вырезают на всех слоях платы под антенной и вокруг неё. Это нужно для правильного резонанса и для предотвращения паразитной ёмкостной связи. Для высокоплотных печатных плат такое требование создаёт серьёзные ограничения:

• Узкие места при трассировке. Проводники всех слоёв должны полностью огибать зону запрета. Это ограничивает размещение компонентов и увеличивает необходимое число слоёв платы.
• Ограничения по конструкции корпуса. Габариты изделия приходится увеличивать, чтобы вместить и край слоя заземления, и зону запрета антенны.
• Нарушение сплошности заземления. Вырезы в слоях заземления прерывают пути обратных токов соседних высокоскоростных цифровых линий и повышают риски по электромагнитной совместимости (ЭМС) и электромагнитным помехам (EMI).

Проблема близости слоя заземления

Если стандартную планарную антенну разместить прямо над сплошным медным слоем заземления, проявляются два основных физических эффекта, которые ухудшают её работу:

• Ёмкостная нагрузка и расстройка по частоте. Близкое проводящее заземление создаёт большую паразитную ёмкость. Она резко смещает резонансную частоту вниз, за пределы целевого ISM-диапазона 2,400–2,485 ГГц.
• Компенсация излучения зеркальными токами и падение КПД. Зеркальные токи, наводимые в слое заземления, текут в противоположном направлении и деструктивно интерферируют с токами излучающих элементов антенны. Сопротивление излучения (Rr) падает почти до нуля, а эффективность излучения становится ниже допустимой.

Планарные инвертированные F-антенны (PIFA) в некоторой степени снижают расстройку от близости заземления, но их размеры (высота и площадь) остаются слишком большими для миниатюрных устройств.

Архитектурное решение: объёмная винтовая 3D LDS-структура

Чтобы обойти требование к зоне запрета (keep-out) и преодолеть габаритные ограничения традиционных PIFA, компания Leankon разработала LK1810701. Это SMD-антенна размером 3×3×4 мм, предназначенная для установки непосредственно на слой заземления.

В основе конструкции лежит технология лазерного прямого структурирования (LDS, Laser Direct Structuring). Вместо плоских печатных проводников на 2D-подложке высокоточный лазер формирует объёмную винтовую (спиральную) структуру прямо на диэлектрическом носителе. Такая 3D-топология создаёт управляемые электромагнитные поля над слоем заземления. Баланс индуктивности и ёмкости обеспечивает точное согласование импеданса без зон запрета.

Физика материалов: носитель с высокой Dk и полый сердечник из LCP

Чтобы уменьшить излучающий элемент 2,4 ГГц до 3 × 3 × 4 мм и сохранить высокий КПД, нужно справиться с потерями на поглощение в материале носителя. Для этого сочетаются два материаловедческих решения:

• Высокая диэлектрическая проницаемость (High-Dk). Материал носителя с высокой относительной диэлектрической проницаемостью снижает фазовую скорость электромагнитной волны и сокращает её длину в диэлектрике. Благодаря этому антенну удаётся существенно уменьшить.
• Жидкокристаллический полимер (LCP) с низкими потерями. Материалы с высокой Dk часто имеют повышенный тангенс угла диэлектрических потерь (tg δ). Чтобы компенсировать диэлектрическое поглощение, в конструкции применён LCP с низкими потерями и внутренним полым сердечником. Полость уменьшает эффективный объём диэлектрика, поэтому потери энергии сигнала снижаются, а общий КПД излучения остаётся высоким.

Руководство по интеграции и производству

Для инженеров-разработчиков аппаратной части встраиваемых систем интеграция LK1810701 сводится к стандартным шагам SMT-производства:

• Согласующая цепь. Рядом с линией питания антенны следует предусмотреть контактные площадки под стандартную Г-образную согласующую цепь. Она нужна для точной настройки антенны под конкретный корпус устройства.
• Автоматизированный монтаж. Антенна поставляется в стандартной ленте на катушке (Tape & Reel), полностью совместимой с высокоскоростными автоматами для установки компонентов (pick-and-place).
• Прототипирование и верификация. Бесплатные оценочные платы и образцы для тестирования можно заказать на сайте leankon.com.

О компании Leankon

Leankon — глобальный поставщик инновационных антенных решений, цель которого состоит в упрощении разработки беспроводных устройств от прототипа до серийного производства. Портфель компании охватывает технологии 5G, 4G LTE, Wi-Fi, Bluetooth, UWB, mmWave, ISM, NFC, GPS/GNSS и спутниковую связь.