В епоху Інтернету речей (IoT) антена перетворилася з простого дроту на дуже складний інженерний компонент. Максимальна ефективність і надійність антени залежать не тільки від її геометричної конструкції (наприклад, спрямованої чи всеспрямованої), але, що більш глибоко, від матеріалознавства та точних процесів, які використовуються в її виробництві. З розповсюдженням 5G і високочастотного зв’язку (наприклад, міліметрових хвиль, mmWave) традиційні матеріали для антен стикаються з серйозними проблемами. У цій статті розглядається вибір найважливіших матеріалів, передові технології виробництва та їхній вплив на кінцеві характеристики антени.
Критичний вибір підкладки: визначення ефективності та вартості антени
Антени, як правило, формуються шляхом друку або витравлювання візерунків на різних підкладках (тобто антени на друкованій платі). матеріалу підкладки Діелектрична проникність та коефіцієнт діелектричних втрат (тангенс втрат) є ключовими параметрами, які визначають високочастотні характеристики та економічну ефективність антени.
Низькочастотний і економічно орієнтований вибір: FR-4
FR-4 (ламінат зі скловолокна) : це залишається найпоширенішим матеріалом для друкованих плат в електронній промисловості. Він пропонує значні переваги, включаючи мінімальну вартість, високу механічну міцність і легкість обробки. Однак на робочих частотах, що перевищують 2,4 ГГц, FR-4 демонструє помітне збільшення тангенсу діелектричних втрат, що призводить до поглинання енергії сигналу матеріалом і зниження ефективності.
Сфери застосування: підходить для низькочастотних і низькопродуктивних додатків, таких як антени Bluetooth, традиційний Wi-Fi (2,4 ГГц) і певні низькошвидкісні антени модуля IoT.
Високопродуктивний і орієнтований на високу частоту вибір: Rogers, LCP і PTFE
Високоефективні матеріали (Rogers, LCP, PTFE) : ці матеріали спеціально розроблені для високочастотних і мікрохвильових застосувань, мають надзвичайно низькі діелектричні втрати та стабільні діелектричні константи.
LCP (рідкокристалічний полімер) і PTFE (політетрафторетилен): Excel у діапазоні 5G міліметрових хвиль (mmWave) (вище 24 ГГц), мінімізуючи втрати енергії сигналу під час високочастотної передачі. Вони служать ідеальними підкладками для створення високопродуктивних мм-хвильових антен із високим коефіцієнтом посилення.
Рішення ультрамініатюризації та високої інтеграції: кераміка та LTCC
Кераміка/LTCC (низькотемпературна спільно обпалена кераміка): висока діелектрична проникність керамічних матеріалів дозволяє розробникам досягати стабільних резонансних частот у надзвичайно компактних фізичних розмірах, забезпечуючи сприятливий коефіцієнт посилення та пропускну здатність.
Сфери застосування: підходить для антен модулів GPS/GNSS, переносних пристроїв і антен модулів IoT, які потребують високої інтеграції. Завдяки технології LTCC складні пасивні компоненти (такі як фільтри та з’єднувачі) можуть бути складені разом із структурою антени.
Точні виробничі процеси: формування структури та функції антени
Процеси виготовлення антени визначають кінцеву точність, складність і масштабованість. Сучасне виготовлення антен більше не обмежується традиційним планарним травленням і просувається до тривимірних та високоінтегрованих рішень.
Традиційна основа: процес травлення друкованих плат (PCB).
Для планарних інвертованих F-антен (PIFA), патч-антен і великомасштабних решіток травлення друкованої плати залишається основним процесом:
Фотолітографія та травлення: інженери використовують проекти САПР, щоб точно перенести діаграму спрямованості антени (випромінювальні елементи та лінії живлення) на покритий міддю ламінат за допомогою фотолітографії, а потім за допомогою хімічних агентів видаляють надлишки мідної фольги.
Переваги та обмеження: цей процес є економічно ефективним, добре повторюваним і підходить для масового виробництва. Однак це в першу чергу обмежено планарними структурами , що обмежує інтеграцію антени на складних вигнутих поверхнях або в межах мінімального простору.
Прорив 3D інтеграції: технологія лазерного прямого структурування (LDS).
LDS є ключовою технологією для виробництва вбудованих антен (наприклад, у смартфонах, розумних будинках і переносних пристроях), досягаючи прориву в структурі антени від двовимірної до тривимірної:
Принцип: спочатку формується спеціальний пластик, що містить металеві композиційні добавки, що активуються лазером. Потім лазерний промінь «витравлює» схему схеми антени на пластиковій поверхні. Активовані ділянки згодом покриваються хімічним покриттям для формування високопровідних металевих антенних елементів.
Переваги: завдяки цьому досягається тривимірна структура та висока інтеграція антени. Антену можна безпосередньо прикріпити до складних вигнутих поверхонь корпусу пристрою, що значно економить цінний внутрішній простір пристрою та покращує гнучкість конструкції та радіочастотні характеристики.
Майбутні тенденції в дизайні антен: конвергенція, інтелект і трансцендентність
Розвиток антенних технологій прискорюється, інтегруючи програмне керування, вдосконалене пакування та новітні матеріали.
Тенденція 1: інтелектуальне формування променя та програмно-визначені антени (SDA)
Майбутні антени більше не будуть статичними апаратними компонентами. Завдяки інтеграції цифрового керування та потужності обробки (наприклад, Massive MIMO) антени стають «інтелектуальними».
Інтелектуальне керування: програмно-визначені антени (SDA) динамічно змінюють діаграму спрямованості, регулюючи фазу та амплітуду кожного елемента антени в режимі реального часу, досягаючи надточного формування променя.
Переваги: цей інтелект забезпечує більш ефективну та цілеспрямовану передачу енергії, що є ключовим фактором для підвищення $5 ext{G}/6 ext{G}$ ємності мережі та енергоефективності.
Тренд 2: Екстремальна інтеграція матеріалу та структури (AiP)
Щоб подолати значну втрату сигналу, яку відчувають високочастотні сигнали, що передаються через традиційні друковані плати, промисловість переходить до більш тісно інтегрованих рішень:
Антена в корпусі (AiP): Антенні решітки міліметрового діапазону (AiP) розробляють та інтегрують елементи антени безпосередньо в корпус мікросхеми або безпосередньо поруч із передньою мікросхемою РЧ.
Переваги: це значно скорочує шлях передачі високочастотних сигналів, вирішує проблему втрати високочастотного сигналу на традиційних друкованих платах і є єдиним життєздатним шляхом до реалізації мініатюрних малопотужних модулів міліметрового діапазону.
Тенденція 3: адаптивність до середовища та метаматеріали
Адаптованість до умов навколишнього середовища: Антени будуть розроблені, щоб витримувати більш суворі умови середовища, включаючи екстремально високі температури, високу вологість і сильну вібрацію (наприклад, для промислового Інтернету речей і аерокосмічного застосування).
Прорив у метаматеріалах: Дослідження метаматеріалів вивчає використання штучно створених структур, а не електромагнітних властивостей природних речовин, щоб керувати електромагнітними хвилями. Ця технологія може порушити традиційні фізичні обмеження розміру антени та смуги пропускання, потенційно досягнувши фундаментального прориву в продуктивності , наприклад, у виробництві тонших, широкосмугових «невидимих» антен.
