Антенны на плате

Антенна — последний элемент ВЧ-тракта. Всё, что ты делал в уроках 12.2–12.6 (линии 50 Ом, согласование, фильтры), нужно ради одного: довести мощность до антенны и не потерять её по дороге. Главная особенность антенн на плате в том, что антенна — это не только сама деталь. Земля платы, соседние детали, корпус и даже рука пользователя становятся её частью. Поэтому даташит антенны всегда описывает и деталь, и плату, на которой её мерили.

Аналогия: динамик в коробке

Представь динамик. Без корпуса он звучит тонко и тихо, в хорошем корпусе — громко и с басом. Тот же динамик в другом корпусе звучит иначе. С антенной на плате то же самое: производитель настроил её на своей отладочной плате определённого размера. Твоя плата — другой «корпус». Значит, резонанс сдвинется, и антенну придётся подстроить. Для этого и оставляют место под согласующую П-цепь.

Почему земля так важна? Большинство антенн на платах — разновидности четвертьволнового монополя (quarter-wave monopole). Монополь работает в паре с землёй: земля играет роль второй половины антенны, «зеркала». На 868 МГц λ₀/4 ≈ 86 мм. Чип-антенна длиной 7 мм — это сильно укороченный монополь: детали в ней свёрнуты и нагружены диэлектриком. За маленький размер платят узкой полосой и меньшей эффективностью, а ещё сильной зависимостью от земли вокруг.

Три варианта антенны

Вариант	Размер на плате	Цена	Что важно
Чип-антенна (chip antenna)	несколько мм + зона без меди	десятки центов – доллар	ставить строго по даташиту: угол или край платы, keep-out, П-цепь. Усиление обычно около 0…−3 дБи
Печатная антенна (PCB antenna): IFA, MIFA, меандр	на 868 МГц — несколько сантиметров	почти бесплатно — это медь	копировать размеры из апноута один в один, на той же толщине платы
Внешняя антенна через U.FL или SMA	только разъём	антенна + кабель	лучшая эффективность и полоса, антенну можно вынести из корпуса

IFA (inverted-F antenna, «перевёрнутая F») — монополь, согнутый параллельно краю земли, с коротким отводом на землю. Отвод и точка питания задают входное сопротивление, поэтому IFA можно сделать сразу на 50 Ом. MIFA (meandered IFA) — та же антенна, свёрнутая змейкой, чтобы стать короче.

Для начального проекта на 868 МГц разумный выбор — внешняя антенна на SMA или U.FL. Готовая штыревая антенна уже согласована на 50 Ом, и тебе остаётся сделать хорошую линию до разъёма. Чип-антенна и печатная антенна экономят место, но почти всегда требуют измерений и подстройки (урок 12.10).

Чип-антенна: правила из даташита

Возьмём реальный пример — чип-антенну Johanson 0868AT43A0020. По даташиту у неё полоса 858–878 МГц, пиковое усиление около −1 дБи, корпус 7,0 × 2,0 мм, входное сопротивление 50 Ом. Рекомендации производителя типичны для всех чип-антенн:

1. Место — край или угол платы, антенна смотрит наружу. Чем дальше от неё металл, тем лучше.
2. Зона без меди (keep-out) — под антенной и вокруг неё нет меди ни на одном слое: ни земли, ни дорожек. Размеры зоны берут из чертежа в даташите.
3. Второй вывод (у этой антенны он не подключён) всё равно паяют на свою площадку — для механической прочности.
4. Питание — линия 50 Ом, микрополосок или CPWG с переходными отверстиями на землю.
5. П-цепь — места под три элемента: параллельный, последовательный, параллельный. На отладочной плате производителя стоят 0,3 пФ, 18 нГн и 3,9 пФ. На твоей плате номиналы почти наверняка будут другими — производитель прямо пишет, что их подбирают на плате заказчика.

Рис. 12.7а. Чип-антенна в углу платы. Под антенной и вокруг неё — зона без меди на всех слоях (keep-out); размеры зоны берут из даташита антенны. Линия питания — копланарная с землёй (CPWG) на 50 Ом, по обе стороны ряды переходных отверстий на нижнюю землю. Перед антенной — площадки П-цепи: последовательная и две параллельные к земле.

Печатная IFA: копировать, а не рисовать

Texas Instruments в DN023 даёт печатную IFA для 868/915 МГц. Антенна занимает 43 × 20 мм, рассчитана на FR-4 толщиной 0,8 мм и землю 31 × 45 мм. Один размер (L6, отвод) меняют под частоту: около 9 мм для 868 МГц. Входное сопротивление близко к 50 Ом, но место под 1 последовательный и 2 параллельных элемента всё равно предусмотрено. Детали и другую медь держат хотя бы в 5 мм от антенны.

Главное правило печатных антенн: размеры копируют точно, лучше всего — импортом Gerber-файла из референс-дизайна. Если твоя плата толщиной 1,6 мм, а антенна рассчитана на 0,8 мм, εэфф и ёмкость на землю изменятся, и резонанс уйдёт. Тогда антенну придётся настраивать длиной или П-цепью по измерениям.

Линия питания 50 Ом

На двухслойной плате толщиной 1,6 мм микрополосок 50 Ом получается широким. Проверь калькулятором:

Микрополосковая линия

Ширину по Z0Z0 по ширине

εr Толщина диэлектрика h, ммдо ближайшего слоя землиНужное Z0, Ом Ширина W, мм Частота, МГц

Ширина W

—

εэфф

—

λ в линии (λг)

—

Четверть волны λг/4

—

Задержка

—

W/h

—

Формулы Хаммерстада–Йенсена (1980), точность около 1 %. Не учтены толщина меди (снижает Z0 на 1–3 %), паяльная маска (снижает Z0 ещё на 1–2 Ом) и рост εr с частотой. У FR-4 εr плавает от партии к партии (обычно 4,0–4,7): для серийной платы заказывай контроль импеданса у производителя и бери его расчёт.

Около 3,1 мм — это шире многих площадок. Выход — копланарная линия с землёй (CPWG, grounded coplanar waveguide): по бокам дорожки на том же слое идёт земля с зазором S, снизу — земляной слой. Боковая земля «забирает» часть поля, и та же дорожка становится уже. Оценка для εr = 4,3 (без учёта толщины меди и маски):

Плата	Зазор S	Ширина W под 50 Ом	εэфф
2 слоя, h = 1,6 мм	0,15 мм	≈ 1,1 мм	≈ 2,7
2 слоя, h = 1,6 мм	0,2 мм	≈ 1,3 мм	≈ 2,7
2 слоя, h = 1,6 мм	0,25 мм	≈ 1,5 мм	≈ 2,7
4 слоя, до земли L2 h = 0,2 мм	0,2 мм	≈ 0,37 мм	≈ 3,1

На четырёхслойной плате земля L2 так близко, что CPWG почти не отличается от микрополоска (0,39 мм). Числа в таблице — оценка. Окончательные W и S бери из калькулятора импеданса фабрики под её реальный стек и материал (урок 9.2) и заказывай контроль импеданса, если он важен.

Боковую землю CPWG прошивают на нижний слой рядами переходных отверстий вдоль зазора. Без них верхняя земля «висит» и сама начинает работать как резонатор. Шаг отверстий разобран в уроке 12.8.

Разъёмы: U.FL и торцевой SMA

U.FL (Hirose; его клоны называют IPEX, MHF) — миниатюрный разъём до 6 ГГц высотой около 2,5 мм. Он нужен, чтобы подключить кабель-пигтейл к антенне на корпусе. Но он рассчитан примерно на 30 подключений — это не разъём для стенда, который подключают каждый день.

SMA — резьбовой, прочный, на сотни подключений. На краю платы его ставят торцевым (edge-mount, end-launch): центральный штырь ложится на дорожку, корпус обнимает плату и паяется к земле с двух сторон. Посадочное место и рекомендации по зазорам берут из даташита конкретного разъёма: у разных моделей разная ширина штыря и разная рекомендуемая толщина платы.

Рис. 12.7б. Слева: торцевой (соосный) переход — центральный штырь SMA ложится на дорожку, корпус разъёма паяется к земле сверху и снизу. Хороший переход, если ширина штыря близка к ширине дорожки, а земля рядом с разъёмом прошита переходными отверстиями. Справа: U.FL — крошечный разъём на поверхности платы; удобен для кабеля к антенне в корпусе, но рассчитан примерно на 30 подключений.

📖Из учебникаМалорацкий, гл. 1, §1.8, с. 107–113

Малорацкий начинает с требований к переходам между линиями: хорошее согласование, малые потери, универсальность, малые размеры, герметичность и невысокая цена. Переходы с коаксиала на полосковую линию он делит на соосные (торцевые) и перпендикулярные. Соосные шире по полосе. Диаметр центрального проводника коаксиала плавно или ступенькой уменьшают до размеров полоска. Важное правило: штырь должен быть примерно той же ширины, что и полосок, иначе в месте стыка появляется паразитная ёмкость. Для перпендикулярного перехода нужна согласующая цепь: короткозамкнутый четвертьволновый шлейф или короткий разомкнутый шлейф длиной 0,05–0,15λ, который подстраивают по измерениям. Отдельно автор хвалит копланарную линию: её симметричное поле удобно стыкуется с коаксиальным разъёмом и даёт широкополосный переход. Подложки в корпусе соединяют золотой сеткой или ленточкой, приваренной поверх зазора.

Что изменилось с 1976 года. Принцип остался: переход должен быть плавным, а ширина штыря — близкой к ширине дорожки. Изменилась реализация. Вместо фрезерованных переходов под конкретный корпус — серийные торцевые SMA с рекомендованным посадочным местом в даташите. Вместо подстройки шлейфом на стенде — расчёт перехода в ЭМ-симуляторе или готовый проверенный футпринт. А копланарная линия, которую Малорацкий советовал для разъёмов, стала стандартом: CPWG у края платы — самый частый способ подвести SMA.

🛠Особенность Altium

Зону без меди под антенной в Altium рисуют запретной областью. Команда Place›Keepout›Solid Region ставит её на активный слой. На слое Keep-Out запрет действует на все сигнальные слои сразу, на конкретном сигнальном слое — только на нём. В свойствах keepout можно выбрать, что он запрещает: Via, Track, Copper, SMD Pad, TH Pad. На слоях-плоскостях (Plane) keepout не работает. Поэтому на четырёхслойной плате с землёй-плоскостью вырез под антенной делают отдельно, а полигоны земли на сигнальных слоях ограничивают вырезом Place›Polygon Pour Cutout[ПРОВЕРИТЬ]. После перезаливки полигонов (урок 5.6) проверь в 3D, что под антенной действительно нет меди ни на одном слое.

🧯 Типичные ошибки

Чип-антенну поставили в середину платы, «где было место»

Почему Антенна работает с землёй как с половиной монополя. Окружённая медью со всех сторон, она почти не излучает, а резонанс уходит далеко от рабочей частоты.

Как исправить Только край или угол платы, ориентация и зона без меди строго по даташиту. Место под антенну выбирают первым, ещё до расстановки остальных деталей.

Зона без меди есть только на верхнем слое

Почему Земля на нижнем или внутреннем слое под антенной — это та же медь рядом с ней. Она шунтирует антенну так же, как земля на верхнем слое.

Как исправить Keep-out на всех слоях: на слое Keep-Out в Altium или вырезы во всех полигонах и плоскостях. Проверка — 3D-вид или просмотр Gerber по слоям.

Под П-цепь не оставили места: антенну подключили к линии напрямую

Почему Номиналы с отладочной платы производителя на твоей плате не подходят: другая земля, корпус, пластик. Без площадок подстраивать нечем, остаётся только переделывать плату.

Как исправить Всегда три площадки 0402 (или 0201): по умолчанию 0 Ом последовательно, два параллельных места не паяют (DNP). Номиналы подбирают по измерениям.

U.FL поставили как разъём для отладки и подключали десятки раз

Почему Ресурс U.FL — около 30 циклов. Защёлка разбалтывается, контакт становится нестабильным, и цифры на стенде «гуляют».

Как исправить Для стенда — SMA или переходник U.FL–SMA, который ставят один раз. U.FL — только для постоянного кабеля внутри корпуса.

Проверь себя

1. 1. Почему чип-антенне нужна земля определённого размера рядом, но не под ней?

   Земля охлаждает антеннуАнтенна работает как укороченный монополь, а земля — его вторая половина. Медь же прямо под антенной шунтирует её полеЗемля нужна только для пайкиЭто требование сертификации, на работу антенны не влияет
2. 2. Плата двухслойная, 1,6 мм. Почему для линии к антенне часто выбирают CPWG, а не микрополосок?

   CPWG не нужна земля на нижнем слоеУ CPWG выше волновое сопротивление при той же ширинеБоковая земля позволяет сделать линию 50 Ом заметно уже: около 1,3 мм вместо 3,1 ммМикрополосок не работает выше 500 МГц
3. 3. На отладочной плате производителя П-цепь антенны: 0,3 пФ, 18 нГн, 3,9 пФ. Что ставить на свою плату?

   Ровно эти номиналы — производитель всё рассчиталПлощадки под три элемента, по умолчанию 0 Ом последовательно и два DNP, а номиналы подобрать по измерениям на готовой плате в корпусеНичего: антенна и так 50 ОмТолько последовательную индуктивность 18 нГн
4. 4. По Малорацкому, что будет, если центральный штырь коаксиального разъёма заметно шире полоска?

   Ничего, важен только корпус разъёмаВ месте стыка появится паразитная ёмкость и отражениеЛиния станет короче на λ/4Улучшится согласование

🎯Практическое задание~40 мин

Возьми даташит любой чип-антенны на 868 или 2400 МГц (Johanson, Taoglas, Ignion, Abracon). Выпиши: размеры зоны без меди, рекомендуемое место на плате, размер земли на отладочной плате, номиналы согласующей цепи производителя. Нарисуй в Altium угол платы 1,6 мм с этой антенной: keep-out на всех слоях, линию CPWG 50 Ом (W и S — по таблице урока или калькулятору фабрики), ряды переходных отверстий вдоль линии и три площадки 0402 под П-цепь. Сравни размер своей земли с размером на отладочной плате и запиши, в какую сторону, по-твоему, уйдёт резонанс.