5G时代带动陶瓷PCB成长 --- GPS陶瓷天线调试方法

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本文来自电子万花筒
 
5G时代即将到来,5G技术研发试验的第二阶段测试由中国移动率先完成。未来进入2020年,5G将有望实现商用。随着5G新时代的发展,预计2030年将带动国内直接经济产出达6.3万亿,同时更是创造了800W个就业机会。 
 
同时推动的是智能化进程,物联网的飞速发展,包括终端制造业的大规模繁衍。其中就包括陶瓷PCB产业。在5G时代下,信号基站将会变得更密集,数量达到4G的100倍,包括终端接收装置的迭代升级同时带来的一系列的软硬件升级。5G就像是太阳系中的一只蝴蝶,刮了刮翅膀,地球潮汐不得不随之改变。陶瓷PCB作为当下或者近一世纪高频介质损耗最低的电路板,成为5G的掌上明珠是必然的,发展空间之大毋容置疑。 
 
目前GPS陶瓷天线业界最常用的有两种,分别为偏心馈入式及中心馈入式陶瓷天线,这两种形式的天线是以馈入点位置作区别,所谓的偏心馈入式天线其馈入点位置在陶瓷天线正中心偏一角的对角线上(如图1所示),而中心馈入式天线其馈入位置并非在其正中心,它是在正中心往上移一点的位置(如图2所示)。
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图1
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图2
 
因GPS卫星所需的是发射天线为右旋圆极化(RHCP)天线,为使待接收的GPS装置能够顺利接收卫星讯号,因此在设计接收天线时会使用相同的右旋极化结构来设计,如图1.a、图2.a皆为右旋极化结构。左旋极化结构如图1.b、图2.b所示。
 
一、中心馈入式陶瓷天线调试方式
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图3
 
此馈入方式其银面为长宽等长的正方形,借由两切角造成的互相垂直的两模态(Da及Db)共振长度的细微差异(Da≠Db)所形成的圆极化辐射波,若Da<Db此为右旋圆极化天线(RHCP),反之若Da>Db此为左旋圆极化天线(LHCP)。
 
由于GPS天线接收的是右旋极化波(RHCP),故必须保证Da<Db,一般的切角仅出现在左下和右上两个对等切角,陶瓷天线微调的方式为削边、开槽、调切角三种方式。
 
1、削边微调方式
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图4
 
1.1削边Cut-X 
 
如图4,切削Cut-X位置(削边时需注意平整),在Smith Chart 上可看出其轨迹图会以外圈为圆心,依顺时针的方向旋转偏向电容性阻抗,其中心频率(fc)也会跟着变高。特别注意削边时两边的Cut-X所切削的大小需尽量保持相同,否则会使得极化点两瓣轨迹图大小出现差异,视觉上会出现一大一小的情况。
 
图5所示为切削Cut-X时,网络分析仪图形的走势。
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图5
 
1.2削边Cut-Y
 
如图4,切削Cut-Y位置(削边时需注意平整),在Smith Chart 上可看出其轨迹图会以外圈为圆心,依逆时针的方向旋转偏向电感性阻抗,另外切削靠近馈点的Cut-Y这一边(图4上半部分)会使得整个图形变大,而切削远离馈点的Cut-Y这一边(图4下半部分)会使得整个图形变小。注意调试此部分不会造成中心频率(fc)的变化。
 
图6所示为切削Cut-Y时,网络分析仪图形的走势
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图6
 
2、开槽微调
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图7
 
2.1开槽Slot-X
 
切削Slot-X位置,在Smith Chart 上可看出其轨迹图会以外圈为圆心,依逆时针的方向旋转偏向电感性阻抗,且中心频率(fc)也会随着变低。
 
需要特别注意的是切削Slot-X位置,仅需切削一边即可(切削上半部分就不切削下半部分),同时开槽深度越靠近馈点位置,频率下降的幅度越大。
 
图8所示为切削Slot-X时,网络分析仪图形的走势。
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图8
 
2.2开槽Slot-Y
 
切削Slot-Y位置,在Smith Chart 上可看出其轨迹图会以外圈为圆心,依顺时针的方向旋转偏向电容性阻抗。需要特别注意的是切削Slot-Y位置,原则上左右两边都开槽会对天线轴比影响较小,另外开槽深度越靠近馈点位置,图形运动的幅度越大。
 
图8所示为切削Slot-Y时,网络分析仪图形的走势。
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图9
 
3、切角微调
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图10
 
3.1调试切角-A
 
如图10,将A位置切角(切角时尽量保持切角的形状为等腰三角形),因Da电流路径变短了,相较于微调前的高频模态(fH)会往高频偏移,在低频模态(fL)不变的情况下两模态越来越分离。在Smith Chart上可以看出原本中心频率的极化点的尖点会慢慢变大,最后形成小圈,并且切角的同时中心频率(fc)也会跟着变高。
 
图11所示为调试切角-A时,网络分析仪图形的走势。
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图11
 
3.2调试切角-B
 
如图10,将B位置切角(切角时尽量保持切角的形状为等腰三角形),因Db电流路径变短了,相较于微调前的低频模态(fL)会往高频偏移,在高频模态(fH)不变的情况下两模态越来越靠近。在Smith Chart上可以看出原本中心频率的极化点的小圈会慢慢变小,最后形成尖点甚至消失,并且切角的同时中心频率(fc)也会跟着变高。
 
图11所示为调试切角-B时,网络分析仪图形的走势。
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图12
 
需要注意的事项
 
a、微调时要注意,若发现所切割位置理论上的特性变化与网络分析仪所呈现出来的特性相反,极有可能发生极化颠倒的情况。 
 
b、在把频率调高时,先削切角-A位置,在削切角-B位置,如此反复微调到想要的频率点。
 
c、在欲降低频率时,先开槽Slot-Y位置,在开槽Slot-X位置,如此反复微调到想要的频率点。
 
d、在使用电动刻刀雕刻天线时,需要注意雕刻干净,切刻过的地方尽量不要有残存银层,切保证直线,最后需要用酒精清洁表面 。
 
二、偏心馈入式陶瓷天线调试方式
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图13
 
此馈入方式是由两互相垂直的模态(Lx与Ly)其共振长度的些微差异(Lx≠Ly)所形成的圆极化辐射波,若Lx>Ly,此为右旋圆极化;反之则为左旋圆极化,因GPS天线设计需为RHCP,所以Lx>Ly,另外需要特别注意的是圆极化中心频率为Smith Chart两模态所相交的尖点
 
微调的方式分别为削边、挖槽及截角三种方式
 
1、削边微调
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图14
 
① 将Cut-X位置削短(注意削边时需要平整),因Lx较原来长度缩短,因此在Smith Chart上可看出原本中心频率的小圈越来越小,渐渐变成尖点甚至尖点不见,同时削边过程中中心频率(fc)也会跟真变高。
 
② 将Cut-Y位置削短(注意削边时需要平整),因Ly较原来长度缩短,因此在Smith Chart上可看出原本中心频率的尖点越来越大,渐渐变成小圈,同时削边过程中中心频率(fc)也会跟真变高。
 
2、挖槽微调
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图15
 
① 挖槽Slot-X
 
切削slot-x位置使其形成一条槽,电流走向路径由原来的红色虚线变成绿色虚线走向,因此Lx的电流路径边长了,从Smith Chart上看原本中心频率的尖点越来越大,渐渐变成小圈乃至大圈,同时挖槽的同时中心频率(fc)也跟着变低。
 
② 挖槽Slot-Y 
 
切削slot-x位置使其形成一条槽,电流走向路径由原来的红色虚线变成绿色虚线走向,因此Ly的电流路径边长了,从Smith Chart上看原本中心频率的尖点越来越小,逐步消失,同时挖槽的同时中心频率(fc)也跟着变低。
 
3、截角微调
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① 截角-A
 
将A位置截角(截角时尽量保持形状为等腰三角形),在Smith Chart上可看其轨迹会以外圈中心为圆心,依照顺时针方向转动,同时截角会使得中心频率(fc)稍稍变高,特别注意在截角时同一组截角的大小尽量保持一致。
 
② 截角-B
 
将B位置截角(截角时尽量保持形状为等腰三角形),在Smith Chart上可看其轨迹会以外圈中心为圆心,依照逆时针方向转动,同时截角会使得中心频率(fc)稍稍变高,特别注意在截角时同一组截角的大小尽量保持一致。
 
需要注意的事项
 
a、微调时要注意,若发现所切割位置理论上的特性变化与网络分析仪所呈现出来的特性相反,极有可能发生极化颠倒的情况。 
 
b、在把频率调高时,先削切角-A位置,在削切角-B位置,如此反复微调到想要的频率点。
 
c、在欲降低频率时,先开槽Slot-Y位置,在开槽Slot-X位置,如此反复微调到想要的频率点。
 
d、在使用电动刻刀雕刻天线时,需要注意雕刻干净,切刻过的地方尽量不要有残存银层,切保证直线,最后需要用酒精清洁表面。
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