ZigBee и IFA Inverted F Antenna

Появился небольшой проект с довольно интересным содержанием. Проект связан с ZigBee и небольшим устройством управления. Пока не буду раскрывать все нюансы проекта, а буду разбираться с ZigBee и делиться прогрессом в блоге.

После того как проект оформился в небольшое техническое задание я сразу же начал поиск по комплектующим и производителям трансиверов, поддерживающих ZigBee, и сразу стало понятно, что их не так уж и много. Около недели я выбирал, основываясь на обзорах и других материалах, описывать сейчас всех смысла не имеет, кто захочет загуглит, мой же выбор пал на Texas Instruments и их системы на кристалле SoC CC26x2R. Что такое SoC? Это когда у вас на одном кристалле и микроконтроллер и радио, в случае с CC26x2R это еще и отдельный микроконтроллер для опроса датчиков и обработки данных от них. Решение от TI это довольно новое и пока еще не сильно распространенное в отличие от их SoC предыдущего поколения: CC253x, основанных на ядре 8051 и также поддерживающих ZigBee. Достать CC2530 или CC2531 (поддерживает USB) очень просто, алиэкспресс завален предложениями за сущие копейки. К слову, заказал себе и их для интереса, вместе с программатором отладчиком.

Также мною были заказаны отладочные платы LaunchPad-CC26X2R1. CC2652R микроконтроллер в составе отладочной платы содержит ядро ARM Cortex-M4F с частотой 48 МГц, 352 кБ flash памяти, 80 кБ SRAM, полный комплект периферийных устройств, таких как I2C, SPI, UART, криптографические ускорители (ECC, AES256, SHA256 и др.), а также Sensor Controller Engine (SCE). SCE это второй программируемый процессор внутри основного, созданный специально для ультранизкого потребления при чтении показаний датчиков и обработки данных от них. Работает он отдельно от основного ядра и потребляет лишь несколько микроампер. Также в составе радио имеется выделенный микроконтроллер на базе ядра ARM Cortex-M0, прямого доступа к нему у разработчика нет.

Пока несколько недель будут идти отладочные платы и другой стафф для проектирования, не сидеть же без дела. Начал изучать документацию, SDK, reference designs. Также приступил к проектированию схемы одного из устройств, основываясь на референсных дизайнах от TI, которые к слову, очень подробные и вообще документация у них на высшем уровне, как и поддержка на их форуме.

Теперь плавно перехожу ко второй части повествования. В процессе проектирования схемы пришел к тому, что необходимо заложить дизайн антенны. На отладочных платах, которые заказал, запроектирована IFA Inverted F Antenna и я решил не мудрствовать и повторить данный дизайн в своей плате.

IFA или PIFA (Planar Inverted F Antenna) — планарная F-образная антенна, которая в данный момент получила очень широкое распространение в носимых беспроводных устройствах за счет своих несомненных достоинств, таких как широкая полоса рабочих частот, малые габариты, возможность работать как в вертикальной, так и горизонтальной плоскостях поляризации. Хорошую теоретическую статью по данному типу антенн можно найти здесь. Я же не буду вдаваться в теоретические подробности и приступлю к рассмотрению референсного дизайна от TI.

У TI я нашел 2 документа, которые раскрывали особенности данной антенны в составе отладочной платы. Первый документ целиком посвящен только этой антенне и второй, в котором описан CC-Antenna-DK2 (комплект отладки под различные типы антенн разных диапазонов). Лишь немного о технических характеристиках антенны. Максимальное усиление антенны +3.3 dBi и габаритные размеры 25.7 х 7.5 мм, что для меня очень хорошо, т.к. девайс будет встраиваться в уже существующее решение и минимизация там будет очень кстати.

Не секрет, что в проектировании печатных плат я использую Kicad и далее я начал переносить дизайн в свою библиотеку.

Чтобы получить оптимальную производительность очень важно максимально точно повторить размеры антенны в своем дизайне. Наиболее простой вариант это импортировать топологию антенны из gerber файла или dxf файла в Kicad. Такой файл можно найти в CC2430DB референс дизайне Inverted_F_Antenna.dxf, который можно скачать здесь. Однако импортировать что-либо через меню Файл > Импорт контуров из DXF файла… в лоб не получилось, импорт не работает корректно. Обходной путь был следующим, я открыл файл в LibreCad, пересохранил его в формате dxf 2007 и уже после смог импортировать в Kicad. Однако в исходном файле размеры антенны были не в масштабе.

К примеру, размер L1 был равен 1000 мм, тогда как по референсу он должен быть равен 25.58 мм. Поэтому при импорте я указал коэффициент масштабирования равный 0,02558:

В итоге получил следующие габариты антенны в Kicad:

Однако, по непонятной для меня причине, размеры других сегментов антенны не сошлись с табличными для этого типа антенны и решено было их немного подправить, так, чтобы они соответствовали. В итоге получил следующую топологию антенны, готовую к использованию в проекте печатной платы:

Скачать данный футпринт можно в моем открытом репозитории компонентов в гитлаб.

Есть некоторые рекомендации по размещению антенны на печатной плате устройства. Основное из них это, если ширина печатной платы много больше ширины антенны, то не стоит размещать компоненты или земляные полигоны у конечных точек антенны. Импеданс антенны настроен на 50 Ом, однако на него могут влиять различные факторы, такие как размещение медных полигонов, объекты рядом с антенной (разъемы, батареи, пластиковые детали корпуса и т.д.), толщина текстолита и его материал и многое другое. По этой причине рекомендутся размещение согласующей цепи П-фильтра рядом с точкой запитывания антенны.

Если у вас есть темы и вопросы по ZigBee, которые я мог бы осветить, задавайте их в комментариях или в нашем чате. Также подписывайтесь на мой канал в телеграм, чтобы не пропустить новые анонсы статей.