Co-integratie van een compacte antenne en geminiaturiseerde detectienode voor BLE mesh dodehoekdetectiesystemen

dodehoekdetectiesystemen

geminiaturiseerde detectienode voor BLE mesh

Co-integratie van een compacte antenne en

Academiejaar 2019-2020

Master of Science in de industriële wetenschappen: elektronica-ICT Masterproef ingediend tot het behalen van de academische graad van

Begeleiders: ing. Nick De Raeve, ing. Quinten Van den Brande Promotoren: prof. dr. ir. Jo Verhaevert, prof. dr. ir. Patrick Van Torre

Studentennummer: 01504475

Jarne Goovaerts

dodehoekdetectiesystemen

geminiaturiseerde detectienode voor BLE mesh

Co-integratie van een compacte antenne en

Academiejaar 2019-2020

Master of Science in de industriële wetenschappen: elektronica-ICT Masterproef ingediend tot het behalen van de academische graad van

Begeleiders: ing. Nick De Raeve, ing. Quinten Van den Brande Promotoren: prof. dr. ir. Jo Verhaevert, prof. dr. ir. Patrick Van Torre

Studentennummer: 01504475

Jarne Goovaerts

VOORWOORD v

Voorwoord

Gedurende het maken van deze masterproef kreeg ik van vele mensen steun op verschillende vlakken.

Als eerste wens ik mijn begeleiders ing. Nick De Raeve en ing. Quinten Van den Brande en promotoren prof. dr. ir. Jo Verhaevert en prof. dr. ir. Patrick Van Torre te bedanken voor de steun op technisch vlak. Een extra bedanking gaat uit naar meneer De Raeve en meneer Van den Brande, om elke week opnieuw gedurende het hele academiejaar klaar te staan voor mij en me bij te sturen waar nodig. Deze betrokkenheid gaf mij de motivatie om door te zetten en het project tot een goed einde te brengen.

Als volgende zou ik graag Matthias De Schepper willen bedanken voor de goede co¨ordinatie en omdat ik altijd bij hem terecht kon wat betreft de zaken rond de PCB.

Als laatste had ik ook graag mijn familie en vrienden bedankt voor de inhoudelijke en grammaticale feedback over het verslag.

TOELATING TOT BRUIKLEEN vii

Toelating tot bruikleen

De auteur geeft de toelating deze scriptie voor consultatie beschikbaar te stellen en delen van de scriptie te kopi¨eren voor persoonlijk gebruik.

Elk ander gebruik valt onder de beperkingen van het auteursrecht, in het bijzonder met betrekking tot de verplichting de bron uitdrukkelijk te vermelden bij het aanhalen van resultaten uit deze scriptie.

COVID19-PREAMBULE ix

COVID-19-preambule

Door de uitbraak van COVID-19 en de maatregelen die werden genomen hieromtrent, betekende dit hinder betreffende het afwerken van deze masterproef. In deze preambule zal beschreven worden wat het oorspronkelijke doel van de masterproef was en hoe dit aangepast werd.

Het oorspronkelijke doel van deze masterproef was het ontwerpen van een geminiaturiseerde detectienode die beschikt over een compacte antenne om zo een BLE-netwerk op te kunnen zetten. Het ontwerp van zowel de PCB als de antenne zou uitvoerig getest en nagemeten worden. Het ontwerp van de PCB vond plaats in het eerste semester. Hierdoor is het ontwerp, de productie en de bestukking hiervan door kunnen gaan zoals gepland. Echter wegens COVID-19 werd in het tweede semester door Universiteit Gent besloten de campussen en dus ook de labo’s te sluiten voor studenten. Hierdoor werd het verdere verloop voor het PCB-gedeelte geschrapt in het tweede semester en zijn de geplande metingen niet uitgevoerd kunnen worden.

Het ontwerp van de antenne is van start gegaan in het tweede semester. Onafhankelijk van COVID-19 moest de antenne eerst ontworpen worden met het computerprogramma CST. Aangezien dit ook buiten de campus beschikbaar is, bleef het mogelijk om dit ontwerp te volbrengen. Echter werd het onmogelijk om de ontworpen antenne te produceren en te testen. Hierdoor werd er meer gericht op het uitvoeren van de nodige simulaties.

Deze preambule werd in overleg tussen de student en de promotoren opgesteld en door beiden goedgekeurd.

ABSTRACT xi

Abstract

Dit project biedt een oplossing voor het beperken van dodehoekongevallen tussen een vrachtwagen en zwakke weggebruikers. Op de dag van vandaag zijn reeds enkele systemen beschikbaar die dit probleem trachten te verhelpen. Geen van deze voorziet echter een waarschuwing voor beide partijen. Om deze reden werd op Universiteit Gent onderzoek gedaan naar een nieuw dodehoekdetectiesysteem, werkend op Bluetooth Low Energy (BLE).

In deze masterproef zal een bestaande node van het ontworpen dodehoekdetectiesysteem geminiaturiseerd worden als ook een compacte, ge¨ıntegreerde antenne ontworpen worden. De geminiaturiseerde detectienode zal voorzien worden van een BLE mesh module. Tot slot wordt een compacte BLE-antenne ontworpen met het doel de invloed van het metalen frame van de vrachtwagen op de detectie van zwakke weggebruikers te minimaliseren.

Co-integration of a compact antenna and

miniaturized detection node for BLE mesh

blind spot detection systems

Jarne Goovaerts

Supervisor(s): ing. Nick De Raeve, ing. Quinten Van den Brande, Prof. dr. ir. Jo Verhaevert, Prof. dr. ir. Patrick Van Torre

Abstract—In this work, a compact Bluetooth Low Energy (BLE) antenna is designed, intended for use in a blind spot detection system which is designed at Ghent University. The antenna characteristics are tailored for optimal performance for operation with a Silicon Labs EFR32MG13 chip and after integration onto a truck. Furthermore, stringent dimension restrictions are imposed due to the integration of these detection nodes into the side lights of trucks. The proposed antenna is a folded Shorted-Patch antenna with maximum dimensions of 31,26 mm × 20 mm (0, 26λ × 0, 16λ, with λ the wavelength in free space at 2,45 GHz). This standalone antenna has a −10 dB-bandwidth

of 200 MHz, a 3 dB-beamwidth of 360° and 103,6° in the azimuth and elevation plane, respectively. Finally a front-to-back ratio (FTBR) of 3,5 dB is available.

Index Terms—BLE, Mesh, Blind spot, Compact antenna, Folded S-P antenna

I. Introduction

With the ever-increasing density of traffic, safety on public roads is becoming a more important concern [1]. Recent advances in automotive sensors have mitigated a part of this problem, thereby partially guaranteeing both driver and pedestrian safety. [2]. However, the available solutions for trucks are limited, due to the presence of blind spots, which is an area where it is impossible for the truck driver to see the vulnerable road user. In Belgium, blind spot accidents continue to have an important share in road accidents involving vulnerable road users, despite the use of existing detection systems and the government trying to raise awareness [3], [4].

As a result of extensive research at Ghent University, a blind spot detection system has been obtained. The designed system consists of five BLE4.2 detection nodes that are placed on the front, rear and right side of the truck, as described in [5].

However, to allow for seamless integration of these detection nodes, a significant miniaturization is required, compared to the system proposed in [5]. As such, a miniaturized PCB is designed to fit within the footprint of the truck side lights 35 × 20 mm. According to [6], [7], antenna size reduction is

restricted by fundamental physical limits, in terms of trade-off between radiation performances and impedance bandwidth. As can be seen, to guarantee robust performance of this miniaturized blind spot system, a tailored antenna system is imperative. In this work, a folded Shorted-Patch (folded S-P) is proposed which will be co-integrated with a Silabs EFR32MG13 BLE chip, present on the miniaturized detection nodes. This antenna will be integrated on a truck according to different rotations and location. Due to difference in impedance of the antenna and BLE chip, a matching network will be designed.

Various antenna design approaches for the 2,4 GHz band have been developed over the years. A few interesting of them will be handled. According to [8], the first antenna is designed with a FTBR greater than 20 dB with a 3 dB-beamwidth between 61° and 71°. Furthermore, a peak gain of 7,1 dBi is available. However, this antenna will be significantly oversized for use on a truck due to an expected ground plane of 170× 170 mm. In addition, no mention can be found in connection with optimizing in the proximity of metal [8]. A second existing antenna is described in [9]. It remains within the dimensions of a side light with a footprint of 20 × 25 mm and has a tuneable resonance frequency up to 2,5 GHz with a −3 dB-bandwidth of 2, 45%. The antenna has a peak gain of −1,38 dBi and demonstrates an omnidirectional radiation pattern. Also this antenna is not optimized for use on metal surfaces [9]. The next type of antenna is the meandered inverted-F antenna (MIFA) from [10]. This antenna is optimized for use at a resonance frequency of 2,45 GHz and a bandwidth of 100 MHz. There is a 3 dB-beamwidth available of 95° and 360° in the azimuth and elevation plane, respectively. The MIFA has only a FTBR of 0,5 dBi and a total footprint of 33 × 20 mm. The last antenna is the substrate integrated waveguide (SIW) folded S-P, inspired from [11]. It is also optimized for use at the 2,4 GHz band, with a bandwidth of 100 MHz, this with a total footprint of 42, 15 × 25, 7 mm. Furthermore there is a

3 dB-beamwidth of 87° and 97,4°. The four antennas described above are only a minor part of all possible antennas, although they do show that there is always a feature missing for use on a truck. For example, these antennas are not optimized for use on a truck and co-integration with a BLE chip. This work will handle these opportunities and optimize the proposed antenna for this integration.

The remainder of this work is organized as follows. Section II describes the antenne design requirements. Section III outlines the antenna topology and operation principle, as well as the final design of the standalone antenna and its performance. Section IV discusses the integration of the antenna onto a truck and the co-integration of the antenna with the active electronics on the PCB supporting the antenna. Finally, some concluding remarks are summarized in Section V.

II. Antenna design requirements

As the antenna is required to support the IEEE 802.15.1 standard (BLE mesh), a reflection coefficient with respect to 50 Ω, |S1,1|, below −10 dB is imposed in the [2,35 - 2,55] GHz frequency band. In addition a 3 dB-beamwidth greater than 70° in the azimuth-plane to ensure sufficient coverage in a large area next to the truck. Furthermore a FTBR greater than 10 dB is also recommended, to minimise the influence of the metal framework. However this is not necessarily required. Finally, the maximum dimensions are set at 35 mm × 25 mm (0, 29λ × 0, 21λ, with λ the wavelength in free space at 2,45 GHz) and production costs are expected to be kept as low as possible.

III. Folded shorted-patch antenna

To realize the imposed requirements a folded Shorted-Patch antenna, based on [11], is proposed.

A. Working principle

The proposed folded Shorted-Patch antenna essentially consists of two planar inverted-F antennas (PIFA) implemented on an air substrate, as depicted in Fig. 1. A PIFA is a patch antenna that by short-circuiting one of its sides, halves its length.

L B

D zy x

Figure 1: Folded S-P antenna.

According to [12] the coupling between the two PIFAs, controlled by the distance between the two patches, causes mode-bifurcation which, in turn, results in a frequency shift from the lower patch ( fres1) and the

upper patch ( fres2) to f_res10 and f_res20 , respectively. By carefully selecting the distance between the two patches and their respective resonance frequencies, the impedance bandwidth will increase significantly [12].

According to [12] the transition from an SIW version to this version leads to a change in dimensions. An enlargement is due to the reduction of the dielectric constant on the one hand. On the other hand, the use of full walls results in a reduction in size. The size of this change depends on the diameter of the vias and their spacing. The use of an air substrate also increases the bandwidth and improves the radiation efficiency [12].

B. Final design and simulation results

After a rigorous optimization process, the required antenna performance was obtained for the final antenna dimensions, given in Table I. Note that the antenna is located on top of a metallized FR-4 substrate (r = 4, 4), with a thickness of 1,6 mm [13], serving as the antenna ground plane. Furthermore, the standalone antenna is fed by means of a coaxial SMA probe feed, soldered to the bottom of the FR-4 substrate. Finally, both PIFA elements of the folded S-P antenna are composed of brass with a thickness of 0,254 mm.

D H1 L1 L2 H2 P V (a)yz-plane. B B1 K1 W1 W2 K2_B2 L (b)xy-plane. Figure 2: Folded S-P antenna. Table I: Dimensions folded S-P antenna.

Parameter Length_[mm] Parameter Length_[mm]

L 31,26 L2 16,53 B 20 B2 19,72 D 1,6 H2 6,50 L1 22,2 W2 -3,06 B1 8,45 K2 8,8 H1 1,19 P 1,39 W1 2,2 V 4,77 K1 3,94

The simulated S-parameters of the optimized antenna, depicted in Fig. 3, show a |S11| < −10 dB from 2,35 GHz to 2,55 GHz. The simulated gain pattern in the azimuth and elevation plane is shown in Fig. 4a and Fig. 4b, respectively. This is showing a 3 dB-beamwidth of 360 and 103,6° in the azimuth and elevation plane, respectively and a FTBR of 3,5 dB.

Although the gain pattern is not quite as expected, this antenna seems to comply well enough with the predetermined requirements to integrate it onto the truck.

2 2.2 2.4 2.6 2.8 3 −50 −40 −30 −20 −10 0 s21=−0,30 dB Frequency [GHz] S11 [dB] Final design

Figure 3:S11-parameter of simulated folded S-P antenna consisting of brass. x [dBi] z] 0◦ 30◦ 60◦ 90◦ 120◦ 150◦ 180◦ 210◦ 240◦ 270◦ 300◦ 330◦ −1 0 1 2 3 (a)xz-plane. y [dBi] z 0◦ 30◦ 60◦ 90◦ 120◦ 150◦ 180◦ 210◦ 240◦ 270◦ 300◦ 330◦ −10 −5 0 5 (b)yz-plane.

Figure 4: Simulated gain pattern of the folded S-P antenna.

IV. Co-integration of antenna in realistic deployment scenario

A. Integration on truck

The optimized standalone antenna performance is now validated in a more realistic deployment scenario, by evaluating the gain patterns after integration on a truck.

The antenna is placed in an area where the side light is located. This will initially be behind the last wheel of the truck itself, as shown in Fig. 5, where the location is represented by a red dot. The truck is modelled in CST and constructed from perfect electrical conductor (PEC), standing on top of a surface that mimics the reflective characteristics of a road. In reality, this lane would be asphalt with a dielectric constant ranging from r= 4 to r= 10 [14]. However, a PEC surface is adopted to reduce the computational complexity, without significant loss in the accuracy of the simulation results. Furthermore, for similar reasons, the truck model itself is simplified to what is shown in Fig. 6. To perform the simulations the Hybrid Solver of CST Studio Suite is used.

x

y z

Figure 5: Truck with indication of antenna location.

(a) Overall view. (b) Magnified view.

Figure 6: Simplified truck with indication of antenna location

with a 0° rotation.

1) Rotation on a truck: The antenna performance can strongly depend on how the antenna is integrated on a truck. Therefore, four different antenna orientations are simulated in this section. The antenna is initially positioned as shown in Fig. 6b and, afterwards, subsequently rotated clockwise around its z-axis in steps of 90°. The resulting gain patterns, in the xz- and yz-planes, are shown for the different orientations on Fig. 7a and Fig. 7b, respectively.

x [dBi] z 0◦ 30◦ 60◦ 90◦ 120◦ 150◦ 180◦ 210◦ 240◦ 270◦ 300◦ 330◦ −20 −15 −10 −5 0 5 0° 90° 180° 270° (a)xz-plane. y [dBi] z 0◦ 30◦ 60◦ 90◦ 120◦ 150◦ 180◦ 210◦ 240◦ 270◦ 300◦ 330◦ −20 −15 −10 −5 0 5 0° 90° 180° 270° (b)yz-plane.

Figure 7: Simulated gain patterns of the different antenna

orientations.

The first patterns to be considered are the gain patterns from the xz-plane. The most important characteristics are summarized in Table II. This table shows that the 270° orientation exhibits by far the best FTBR, being 8,5 dB. The 3 dB-beamwidth of the nodes is sufficient in each rotation in the xz-plane, however the values are too large for 0° and 180°, being 342,6° and 360°, respectively. Finally, it is noted that the 270° oriented antenna has a weak, negative gain of −1,55 dBi. However, as described in [15], this is a common observation for such compact antennas and, as such, not considered as a problem.

Table II: Gain pattern parameters as a function of antenna

rotation (xz-plane). FTBR

[dB] 3 dB-beamwidth[°] Gain[dBi] 0° 3 342,6 0,901

90° 4 80 3,25

180° 1,5 360 0,821

270° 8,5 69,4 -1,55

Table III. Again, the FTBR of the 270° oriented antenna is significantly larger than the other rotations, being 11 dB. When taking a closer look at the beamwidth, it is noticeable that the last orientation exhibits a beamwidth of 74,8° which is sufficiently large. When analyzing the gain as a function of the antenna orientation, it can be observed that the orientations of 0° and 180° exhibit the best antenna gain, being 1,77 dBi and 1,49 dBi, respectively.

Table III: Gain pattern parameters as a function of antenna

rotation (yz-plane). FTBR

[dB] 3 dB-beamwidth[°] Gain[dBi] 0° 2 129,9 1,77

90° 1,5 294,4 -0,482

180° 2,5 131,6 1,49

270° 11 74,8 -1,83

When the four different configurations are compared, the 270° rotation stands out. Using this configuration, sufficient energy is radiated in the positive hemisphere of the antenna, while minimizing backwards radiation towards the truck. Furthermore, any interference caused by adjacent nodes will be mitigated because of the low gain at θ = 0° and θ = 180° in the yz-plane. It is also worth noting that this configuration has a low gain in both the azimuth and elevation plane. However, this can be improved by further optimizing the antenna when it is on a truck. Finally, it should be noted that the position of the antenna in relation to the truck strongly influences the performance and is therefore crucial.

2) Location on a truck: As already discussed in section I, different detection nodes will be placed on a truck to cover the entire blind spot area. Therefore, in this section, the antenna performance is analyzed as a function of its locations on the truck, shown on Fig. 8. When performing the simulations, the antenna orientation of 270° is adopted, as discussed in the previous section. The resulting gains of the nodes, for both the xz- and yz-planes, are shown in Fig. 9b and Fig. 9a, respectively.

1 2 3

4 5

(a) Truck with location of the nodes.

x y z

(b) Node 1. (c) Node 2.

The most important gain patterns in the xz-plane of the antenna are shown IV. In the xz-plane, the FTBR is

(d) Node 3. (e) Node 4.

(f) Node 5.

Figure 8: Indication of the different nodes.

x [dBi] z 0◦ 30◦ 60◦ 90◦ 120◦ 150◦ 180◦ 210◦ 240◦ 270◦ 300◦ 330◦ −20 −15 −10 −5 0 5 Node 1 Node 2 Node 3 Node 4 Node 5 (a)xz-plane. y [dBi] z 0◦ 30◦ 60◦ 90◦ 120◦ 150◦ 180◦ 210◦ 240◦ 270◦ 300◦ 330◦ −15 −10 −5 0 5 Node 1 Node 2 Node 3 Node 4 Node 5 (b)yz-plane.

Figure 9: Simulated gains of de different antenna locations

mounted (in the side lights) on the truck.

around 10 dB for the nodes on the container. At the node on the cabin it is a little lower, namely 5 dB. At node 2 a larger beamwidth is noticeable than at the rest of the locations, being 97,9°, compared to 84,4° and ± 74° for node 1 and node 3 through 5, respectively. Finally all nodes have a similar maximal gain of ± −1,5 dBi, except node 1, where the gain is significantly higher, namely 1,98°.

Table IV: Gain pattern parameters as a function of the antenna

location (xz-plane). FTBR

[dB] 3 dB-beamwidth[°] Gain[dBi]

Node 1 5 84,4 1,98

Node 2 10 97,9 -1,7

Node 3 11 74,8 -1,83

Node 4 8,5 71,3 -1,52

Node 5 11 74,6 -1,77

Next, the gain characteristics in the yz-plane of the antenna are summarized in Table V. In this table a similar FTBR can be observed for node 2 through 5, being ± 8,5 dB. For node 1, the difference can be explained by the fact that it is placed on the cabin itself instead of on the trailer. The other two parameters also show the similarities between node 2 and 5, valued ± 67° and ± −1,3 dBi for the beamwidth and gain, respectively.

Table V: Gain pattern parameters as a function of the antenna

location (yz-plane). FTBR

[dB] 3 dB-beamwidth[°] Gain[dBi]

Node 1 5,3 105,3 1,34

Node 2 8,7 65,9 -1,3

Node 3 8,5 69,4 -1,55

Node 4 9 63,6 -1,11

Node 5 8,4 69,9 -1,51

From the simulations for the different locations it can be concluded that the folded S-P antenna has a robust performance when being integrated on the truck with an orientation of 270°. In the case of the node on the cabin, this configuration radiates diagonally to the left with good beamwidth and gain. In the case of the three nodes on the side and the node on the back of the trailer, a similar gain pattern can be seen in each case with a large FTBR.

B. Co-integration with active electronics

Finally, the antenna is co-optimized with the active electronics, present on the detection node PCB.

The BLE chip utilized in this design is the EFR32MG13 from Silicon Labs. The chip contains both an energy efficient, 40 MHz ARM Cortex-M4 microcontroller (MCU) and a RF tranceiver, packaged in a QFN48 package. The built-in radio has a transmission power of 19 dBm for a frequency of 2,4 GHz and an output impedance of 23+j11,5 Ω [16], [17].

To match the antenna to the transceiver impedance of 23+j11,5 Ω, a fourth-order matching network is added. This implemented matching network is illustrated in Fig. 10, consisting of two series inductors of L1 = 1,3 nH and L2 = 1,6 nH and two shunt capacitors of C1 = 5,2 pF and C2 = 3,6 pF. To implement this matching network, 0402 inductors from the Murata LQP series and 0402 capacitors from the Murata GRM series are used.

The discussed matching network is implemented in a grounded coplanar waveguide (GCPW) transmission line. The 50 Ω output of this network is currently connected to an SMA connector. This will eventually be substituted by a GCPW-to-coax transition, allowing the antenna to be placed directly on the BLE PCB

L1 L2

C1 C2

23+11.5j Ω 50 Ω

Figure 10: Fourth-order matching network.

V. Conclusion

This paper proposes a compact and miniaturized blind spot detection node, with integrated antenna.

Due to the small space available in the side lights of a truck, a folded Shorted-Patch antenna is designed with a length of 31,26 mm and a width of 20 mm. To ensure that this antenna remains usable near a metal frame, it is designed with a bandwidth of 200 MHz and a high FTBR. By rotating the designed antenna several times near the truck, it can be decided that an antenna rotation of 270° is optimal. Furthermore, a robust antenna operation is observed for different node locations on the truck, while maintaining sufficient attenuation towards the truck.

References

[1] C. Rohr, B. Whittaker, J. Fox, J. Glenesk, and J. J. Collins, “Latest Evidence on Factors Impacting Road Traffic Growth: An Evidence Review,” 2018.

[2] C. Connolly et al., “Driver assistance systems aim to halve traffic accidents,” Sensor Review, 2009.

[3] “Eerste diepte-onderzoek van ongevallen met vrachtwagens en zwakke weggebruikers : dode hoek blijft belangrijkste oorzaak,” mei 2012, accessed: 10 april 2020. [Online]. Available: https: //www.mobielvlaanderen.be/persberichten/artikel.php?id=476 [4] “Technische hulpmiddelen ter voorkoming van

dodehoekongevallen bij vrachtwagens - Literatuurstudie,” 2009, accessed: 28 february 2020. [Online]. Available: https://www.vias.be/publications/Technische%20hulpmiddelen% 20ter%20voorkoming%20van%20dodehoekongevallen% 20bij%20vrachtwagens/Technische%20hulpmiddelen%20ter% 20voorkoming%20van%20dodehoekongevallen%20bij% 20vrachtwagens.pdf

[5] N. De Raeve, M. de Schepper, J. Verhaevert, P. Van Torre, and H. Rogier, “A Bluetooth-Low-Energy-Based Detection and warning System for Vulnerable Road Users in the Blind Spot of Vehicles,” Sensors, vol. 20, no. 9, p. 2727, 2020.

[6] R. C. Hansen, “Fundamental limitations in antennas,” Proceedings of the IEEE, vol. 69, no. 2, pp. 170–182, 1981.

[7] R. Collin and S. Rothschild, “Evaluation of antenna Q,” IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 12, no. 1, pp. 23– 27, 1964.

[8] Z. Liang, C. Lu, Y. Li, J. Liu, and Y. Long, “A Broadband Dual-Polarized Antenna With Front-to-Back Ratio Enhancement Using Semicylindrical sidewalls,” IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 66, no. 7, pp. 3735–3740, 2018.

[9] B. Yang, F. M. Vanin, X. Shao, Q. Balzano, and N. Goldsman, “F-inverted compact antenna for wireless sensor networks and manufacturing method,” Oct. 18 2011, US Patent 8,040,291. [10] T. Pattnayak, G. Thanikachalam, and A. P. Family, “Antenna

design and RF layout guidelines,” Cypress Semiconductor AN91445; Cypress Semiconductor: San Jose, CA, USA, p. 17, 2015.

[11] R. Li, G. DeJean, M. M. Tentzeris, and J. Laskar, “Development and analysis of a folded shorted-patch antenna with reduced size,” IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 52, no. 2, pp. 555–562, 2004.

[12] Q. Van den Brande, S. Lemey, J. Vanfleteren, and H. Rogier, “Highly Efficient Impulse-Radio Ultra-Wideband Cavity-Backed Slot Antenna in Stacked Air-Filled Substrate Integrated Waveguide Technology,” IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 66, no. 5, pp. 2199–2209, 2018.

[13] “4-Layer HD PCB Stackup,” accessed: 1 november 2019. [Online]. Available: https://aisler.net/help/design-rules-and-specifications/ 4-layer-pcb-stackup

[14] A. Porubiakov´a and J. Komaˇcka, “A comparison of dielectric constants of various asphalts calculated from time intervals and amplitudes,” Procedia Engineering, vol. 111, pp. 660–665, 2015. [15] I. J. G. Zuazola and J. C. Batchelor, “Compact multiband PIFA

type antenna,” Electronics Letters, vol. 45, no. 15, pp. 768–769, 2009. [16] “EFR32MG13 Mighty Gecko Multi-Protocol Wireless SoC Family Data Sheet,” november 2018, accessed 15 october 2019. [Online]. Available: http://www.farnell. com/datasheets/2813685.pdf? ga=2.103378051.2029793223.

1588069560-1267671954.1570451185& gac=1.128010622. 1587650110.CjwKCAjw-YT1BRAFEiwAd2WRtivogM-pKP Apz0JYAFdJECIVRfVbcPwLoxxcrCTu3mp5aSJJ3a 3xoCejYQAvD BwE

[17] “An930: Efr32 2.4 ghz matching guide,” accessed: 1 november 2019. [Online]. Available: https://www.silabs.com/documents/ public/application-notes/an930-efr32-matching-guide.pdf

INHOUDSOPGAVE xix

Inhoudsopgave

Voorwoord v

Toelating tot bruikleen vii

COVID-19-preambule ix

Abstract xi

Extended abstract xiii

Inhoudsopgave xix

Lijst van figuren xxiii

Lijst van tabellen xxv

Lijst van afkortingen xxvii

1 Inleiding 1

1.1 Dodehoek . . . 2

1.2 BLE mesh . . . 2

1.2.1 Vergelijking tussen BLE5 en BLE4.2 . . . 3

1.2.2 Mesh . . . 4

1.2.3 Received Signal Strength Indicator . . . 5

1.3 Antennes . . . 5

1.3.1 Antenne parameters . . . 6

1.3.2 Meandered Inverted-F Antenne . . . 9

xx INHOUDSOPGAVE 2 PCB design 15 2.1 Eerder onderzoek . . . 15 2.2 Ontwerpvereisten . . . 16 2.3 Communicatieprotocol . . . 17 2.3.1 Bluetooth . . . 17 2.3.2 Topologie . . . 17 2.4 Implementatie . . . 18 2.4.1 Componenten . . . 18 2.4.2 PCB ontwerp . . . 21

2.4.3 Grounded coplanar waveguide . . . 21

2.4.4 Matchingnetwerk . . . 23 2.4.5 Problemen GCPW . . . 26 2.4.6 PCB . . . 28 3 Antenne design 31 3.1 Ontwerpvereisten . . . 31 3.2 Antennetopologie . . . 32 3.2.1 MIFA . . . 32

3.2.2 SIW folded S-P antenne . . . 33

3.2.3 Folded S-P antenne . . . 36

3.2.4 Vergelijking van de gesimuleerde topologi¨en . . . 38

3.3 Standalone folded S-P antenne . . . 38

3.3.1 Werkingsprincipe . . . 38

3.3.2 Parameteranalyse . . . 39

3.3.3 Finaal ontwerp . . . 43

3.4 Ge¨ıntegreerde folded S-P antenne . . . 45

3.4.1 Integratie op metalen oppervlak . . . 45

3.4.2 Integratie op realistische vrachtwagen . . . 47

4 Conclusie 53 Bibliografie 55 A Grounded coplanar waveguide 63 A.1 Voordelen . . . 64

A.2 Nadelen . . . 64

INHOUDSOPGAVE xxi

LIJST VAN FIGUREN xxiii

Lijst van figuren

1.1 De verschillende dodehoekgebieden bij een vrachtwagen. . . 3 1.2 Geschiedenis van Bluetooth. . . 4 1.3 Vergelijking tussen BLE4.2 en BLE5. . . 4 1.4 Verschillende topologi¨en. . . 5 1.5 Stralingspatroon. . . 8 1.6 Bundelbreedte. . . 9 1.7 Meandered Inverted-F Antenne (2,45 GHz). . . 10 1.8 Stralingspatroon MIFA (2,45 GHz). . . 10 1.9 Folded S-P antenne. . . 11 1.10 Elektrisch veld en oppervlaktestroomverdelingen bij resonantiefrequenties. . . 12 1.11 Stralingspatroon folded en unfolded S-P antenne (2,45 GHz). . . 13 2.1 Nodes op vrachtwagen. . . 16 2.2 Zijlicht, geplaatst op een vrachtwagen. . . 16 2.3 Hopping. . . 17 2.4 Implementatie van een node. . . 18 2.5 Tag-connect met 6 signaalpinnen en 3 bevestigingspinnen. . . 20 2.6 Structuur van de PCB. . . 22 2.7 Vierde-orde matchingnetwerk. . . 24 2.8 Simulatievoorwaarden voor de reflectieco¨effici¨ent S11. . . 24 2.9 Plot van L1, C1, L2, C2op een Smithkaart. . . 25 2.10 Simulatie van de ontworpen transmissielijn met matchingnetwerk bestaande uit

componenten van Murata. . . 26 2.11 Simulatie van de ontworpen transmissielijn met matchingnetwerk, geplaatst op

een PCB van Aisler. . . 27 2.12 Toplaag van de ontworpen PCB. . . 28 2.13 Bottomlaag van de ontworpen PCB. . . 28 2.14 Bestukte PCB. . . 29

xxiv LIJST VAN FIGUREN 3.1 MIFA. . . 32 3.2 S11van gesimuleerde MIFA. . . 33 3.3 Gesimuleerde gain van MIFA. . . 33 3.4 Verschillende perspectieven van de SIW folded S-P antenne. . . 34 3.5 S11-parameter van gesimuleerde SIW folded S-P antenne. . . 35 3.6 Gesimuleerde gain van gesimuleerde SIW folded S-P antene. . . 35 3.7 Pareto-analyse van bandbreedte i.f.v. antenne dimensies. . . 36 3.8 Folded S-P antenne (3D). . . 36 3.9 gesimuleerde S11-parameter van gesimuleerde folded S-P antenne. . . 37 3.10 Gesimuleerde gain van de folded S-P antenne. . . 37 3.11 Folded S-P antenne. . . 40 3.12 Analyse van de lengte van de patches. . . 41 3.13 Analyse betreffende de locatie van de voedingspin. . . 41 3.14 Analyse betreffende de breedte van de kortsluitingswanden. . . 42 3.15 Analyse betreffende de locatie van de kortsluitingswanden. . . 43 3.16 Analyse betreffende de patchhoogtes. . . 43 3.17 S11-parameter van gesimuleerde folded S-P antenne bestaande uit messing. . . 44 3.18 Gesimuleerde gain van de folded S-P antenne. . . 45 3.19 Antenne geplaatst op een metalen constructie. . . 46 3.20 Analyse van H: S11 van de folded S-P antenne bij horizontale verplaatsing t.o.v.

metalen constructie. . . 46 3.21 Analyse van V: S11van de folded S-P antenne bij verticale verplaatsing t.o.v. metalen

constructie. . . 47 3.22 Vrachtwagen met indicatie waar zich een antenne bevindt. . . 47 3.23 Vereenvoudigde vrachtwagen met indicatie waar zich een antenne bevindt. . . 48 3.24 Gesimuleerde gain van de verschillende antenne ori¨entaties. . . 49 3.25 Indicaties van de verschillende locaties. . . 51 3.26 Gesimuleerde gain van de verschillende antennelocaties. . . 51 A.1 Vergelijking tussen CPW en GCPW. . . 63 B.1 Ontwerp van schakeling. . . 68

LIJST VAN TABELLEN xxv

Lijst van tabellen

1.1 Afmetingen folded S-P antenne (2,45 GHz). . . 14 2.1 PCB-eigenschappen Eurocircuits. . . 22 2.2 Componenten met desbetreffende waarden. . . 25 2.3 Componenten van Murata met desbetreffende waarden. . . 26 2.4 PCB-eigenschappen Aisler. . . 27 3.1 Parameters van de gesimuleerde antennes. . . 38 3.2 Afmetingen folded S-P antenne. . . 44 3.3 gainpatroon parameters in functie van de antennerotatie (xz-vlak). . . 48 3.4 gainpatroon parameters in functie van de antennerotatie (yz-vlak). . . 49 3.5 gainpatroon parameters in functie van de antennelocatie (xz-vlak). . . 52 3.6 gainpatroon parameters in functie van de antennelocatie (yz-vlak). . . 52 C.1 Bill of materials. . . 70

LIJST VAN AFKORTINGEN xxvii

Lijst van afkortingen

ADS Advanced Design System

BLE Bluetooth Low Energy

Bluetooth SIG Bluetooth Special Interest Group

BOM Bill Of Materials

CST Computer Simulation Technology

FNBW First Null Beam Width

FTBR Front-to-back ratio

Folded S-P Folded Shorted-Patch

GCPW Grounded Coplanar Waveguide

HPBW Half-Power Beam Width

LDO Low Dropout

MCU Microcontroller

MIFA Meandered Inverted-F Antenna

PCB Printed Circuit Board

PEC Perfect electrical conductor PIFA Planar Inverted-F antenne

RAM Random Access Memory

RF Radio Frequency

RSSI Received Signal Strength Indicator SIW Substrate Integrated Waveguide

HOOFDSTUK 1. INLEIDING 1

Hoofdstuk 1

Inleiding

Met het dagelijks toenemend verkeer, neemt de veiligheid op de baan af [1]. Een deel van deze veiligheid kan gegarandeerd worden met allerhande sensoren die zich in auto’s bevinden [2]. Voor vrachtwagens is er echter minder voorhande. In Belgi¨e blijven dodehoekongevallen een belangrijk aandeel hebben in verkeersongevallen met zwakke weggebruikers. Dit ondanks de preventie van de overheid en het gebruik van bestaande detectiesystemen [3]. Het verkeer heeft dus nood aan een nieuw dodehoekdetectiesysteem.

Door uitgebreid onderzoek naar dergelijk systeem aan Universiteit Gent, is een ontwerp bekomen bestaande uit verschillende detectienodes [4].Het doel van deze masterproef is het ontwerpen van een detectienode op basis van een geminiaturiseerde PCB en compacte antenne die beide klein genoeg zijn om in het zijlicht van een vrachtwagen te kunnen plaatsen. Doordat een vrachtwagen voornamelijk uit metaal bestaat, zal de antenne hieraan aangepast moeten worden zodat de werking performant genoeg blijft om een connectie te kunnen maken met zowel de andere nodes als met de zwakke weggebruiker. Deze connectie zal tot stand gebracht worden met behulp van BLE mesh.

Het voordeel van dergelijk geminiaturiseerd systeem is de eenvoudige wegwerking van de nodes in een zijlicht waarover elke vrachtwagen beschikt. Ook zal, door met een draadloos communicatiesysteem te werken, de nood aan kabels vervallen die zich door de vrachtwagen moeten begeven om data over te dragen. Dit zorgt voor een plug & play eigenschap die het eenvoudig maakt om dergelijk systeem te integreren in een vrachtwagen.

2 1.1. DODEHOEK Als eerste zal dieper ingegaan worden op de dodehoekproblematiek, daarna wordt overgegaan tot een bespreking van het communicatieprotocol BLE mesh en tot slot wordt ingegaan op de antenne. Na deze literatuurstudie zal overgegaan worden naar het geminiaturiseerde PCB-ontwerp met daarna het ontwerp van een compacte antenne. Tot slot zal ge¨eindigd worden met een conclusie.

1.1 Dodehoek

In deze sectie zal besproken worden welke gebieden behoren tot de dodehoek van de vrachtwagen, wat de problematiek hierrond is en zal kort ingegaan worden op bestaande systemen.

De dodehoek bij vrachtwagens is te verdelen in drie gebieden. Zoals te zien in Figuur 1.1 bevinden deze gebieden zich zowel voor, naast als achter de vrachtwagen. Wanneer een zwakke weggebruiker zich in ´e´en van deze gebieden bevindt, is het onmogelijk voor de bestuurder om dit op te merken [5].

Ondanks dat de Belgische overheid investeert in preventie van dergelijke ongevallen, zorgt deze problematiek in Belgi¨e jaarlijks voor 50 ongevallen tussen een vrachtwagen en zwakke weggebruiker. Hiervan is 50% geclassificeerd als ’zeer ernstig’ [3], [6].

Er zijn reeds verschillende soorten systemen die deze problematiek proberen te verhelpen. Zo zijn er systemen die werken met behulp van camera’s of radar, maar ook meer primitieve en passieve systemen zoals dodehoekspiegels [7]. Deze systemen kunnen deze problematiek echter niet volledig verhelpen. Een oorzaak kan zijn dat de bestaande systemen slechts ´e´en van de twee betrokken partijen waarschuwt wanneer de zwakke weggebruiker zich in desbetreffende gebied bevindt [7].

1.2 BLE mesh

In deze sectie zal kort ingegaan worden op de geschiedenis en werking van Bluetooth (IEEE 802.15.1). Hiervoor zal een vergelijking gemaakt worden tussen BLE5 en BLE4.2. Daarna wordt de focus gelegd op zowel de nieuwigheden als de voordelen van BLE mesh. Tot slot zal wat dieper ingegaan worden op het begrip Received Signal Strength Indicator (RSSI).

1.2. BLE MESH 3

Figuur 1.1: De verschillende dodehoekgebieden bij een vrachtwagen [5].

1.2.1 Vergelijking tussen BLE5 en BLE4.2

In Figuur 1.2 wordt voor de volledigheid de geschiedenis van Bluetooth afgebeeld. De vergelijking tussen de verschillende versies zal helpen in de beslissing of versie 5 de nodige voordelen biedt voor het toepassen bij dodehoekdetectie.

Uit de Bluetooth Special Interest Group (Bluetooth SIG) documenten [9] blijkt dat Bluetooth 5.0 een gebied dekt dat vier keer groter is in vergelijking met BLE4.2, kan er een transmissiesnelheid optreden die twee keer zo snel is en er wordt een broadcast capaciteit geleverd die acht keer groter

4 1.2. BLE MESH

Figuur 1.2: Geschiedenis van Bluetooth [8]. is. Ook is Bluetooth 5.0 beter voorzien tegen interferentie [8], [9].

Met deze verbeteringen kan Bluetooth sneller en verder informatie uitwisselen en zullen er stabielere connecties gemaakt kunnen worden [8]. In Figuur 1.3 zijn de aangehaalde verschillen weergegeven.

Figuur 1.3: Vergelijking tussen BLE4.2 en BLE5 [8].

1.2.2 Mesh

Naast de reeds behandelde verschillen, is er nog een belangrijk onderdeel dat ontbreekt, namelijk de mogelijkheid tot een meshtopologie. Een meshtopologie is een topologie waar elke node kan

1.3. ANTENNES 5 verbinden met elke andere node in het netwerk, indien deze zich dicht genoeg in elkaars buurt bevinden. Dit in tegenstelling tot de klassieke stertopologie die voordien werd gebruikt. In deze laatste topologie kan namelijk enkel de master met verschillende slaves connecteren [10]. Deze verschillen zijn in Figuur 1.4 weergegeven.

Master

Slave 1 Slave 2 Slave 3

Node 1

Node 4

Node 3

Node 2

(a) Master-slave topologie.

Master

Slave 1 Slave 2 Slave 3

Node 1

Node 4

Node 3

Node 2

(b) Meshtopologie. Figuur 1.4: Verschillende topologi¨en.

Een niet onbelangrijke eigenschap van BLE mesh is de backward compatibility. De meshtopologie kan namelijk gebruikt worden voor versies vanaf Bluetooth 4.0, zolang BLE ondersteund wordt. Deze eigenschap kan van pas komen wanneer niet alle nodes geschikt zijn voor BLE5 [8, 11].

1.2.3 Received Signal Strength Indicator

Nu duidelijk is wat de voordelen zijn van BLE5 en mesh kan wat dieper ingegaan worden op een manier om aan plaatsbepaling te doen met behulp van BLE. Hiervoor zal de Received Signal Strength Indicator (RSSI) gebruikt worden.

Kort gezegd staat RSSI voor de relatieve kwaliteit van een signaal dat op een apparaat wordt ontvangen. Wanneer hetzelfde signaal opgemeten wordt door verschillende nodes van BLE is het mogelijk om een notie te krijgen van waar het te lokaliseren apparaat zich bevindt [12, 13].

1.3 Antennes

Het laatste aspect dat deze literatuurstudie behandelt, is de antenne. Er zijn tal van verschillende soorten antennes met elk hun voor- en nadelen. In deze sectie zullen eerst enkele eigenschappen

6 1.3. ANTENNES van antennes besproken worden waarna enkele potentieel bruikbare antennes aan bod komen.

1.3.1 Antenne parameters

In dit onderdeel zullen de belangrijkste antenneparameters behandeld worden. Deze parameters zijn nuttig voor een vlotte bespreking van een antenne.

Stralingsintensiteit

Als eerste is er de stralingsintensiteit. Deze term staat voor het uitgezonden vermogen per ruimtehoek1 _{De stralingsintensiteit kan mathematisch weergegeven worden door formule 1.1.} Waarin U staat voor de stralingsintensiteit zelf, r de radiale afstand is en Wrad staat voor het uitgezonden vermogen. De U wordt uitgedrukt in W

Steradiaal = radiaalW 2 [15].

U = r2_{× Wrad (1.1)}

Bandbreedte

Als tweede parameter zal de bandbreedte besproken worden. In de normale zin van het woord is bandbreedte het verschil tussen de maximale frequentie en de minimale frequentie die worden doorgelaten in een bepaald transmissiekanaal [15]. Specifiek voor antennes zal de definitie echter de volgende zijn: het frequentiebereik waarin de performantie van de antenne binnen de vooropgestelde standaard blijft [16].

Voor smalbandige antennes wordt de bandbreedte vaak uitgedrukt als procent van het frequentieverschil ( fmax− fmin) over de centrale frequentie van de bandbreedte. Bijvoorbeeld: een bandbreedte van 5% duidt aan dat het frequentieverschil waarin de performantie voldoende blijft, gelijk is aan 5% van de centrale frequentie [16].

Directiviteit

De volgende parameter die besproken wordt, is de directiviteit. De directiviteit is de verhouding van de stralingsintensiteit in een gegeven richting van de antenne op de gemiddelde stralingsintensiteit in alle richtingen [15].

1_{Ruimtehoek: wanneer een gesloten kromme wordt afgebeeld op een bol zodat alle lijnen, die vertrekken vanuit} deze kromme, samenkomen in het middelpunt van deze bol. Zal de ruimtehoek bepaald worden door het volume te bepalen binnen deze lijnen en de straal van de bol [14].

1.3. ANTENNES 7 Wanneer deze definitie in een formule gegoten wordt, ziet deze eruit zoals in formule 1.2. In deze formule staat φ(θ, φ)maxvoor de maximale stralingsintensiteit van de te beschouwen antenne en φ0zal de stralingsintensiteit van een isotrope antenne zijn [15].

D = φ(θ, φ)max

φ0 (1.2)

Antenne effici¨entie

Nu zal de antenne effici¨entie behandeld worden. Deze parameter is de verhouding van het uitgezonden vermogen met het inkomende vermogen dat wordt toegelaten door de antenne. Hoe hoger deze parameter, hoe beter de effici¨entie is van desbetreffende antenne [15].

Dit verband kan gevonden worden in formule 1.3 waarin Prad het uitgezonden vermogen is en Pinhet inkomende vermogen [15].

ηe= Prad

Pin (1.3)

Versterking

De volgende parameter wordt versterking genoemd. Dit is de verhouding van de stralingsintensiteit in een gegeven richting op de stralingsintensiteit die behaald zou worden wanneer het vermogen isotroop wordt uitgestraald [16]. De versterking van een antenne beschouwt dus de directiviteit van de antenne samen met de effectiviteit. [15].

In de volgende formule (1.4) is de versterking mathematisch weergegeven met G als de versterking, ηede antenne effici¨entie en D de directiviteit. De versterking wordt uitgedrukt in dB.

G = ηe· D (1.4)

Stralingspatroon

Het stralingspatroon is een grafische weergave van de energie uitgezonden door een antenne. Deze geeft de distributie weer van de uitgezonden energie in functie van de directie [15].

De stralingspatronen kunnen onderverdeeld worden in twee groepen: veldpatronen en vermogenspatronen.

8 1.3. ANTENNES • Veldpatronen: Plot in functie van de elektrische en magnetische velden.

• Vermogenspatronen: Plot in functie van het kwadraat van de magnitude van de elektrische en magnetische velden [15].

In Figuur 1.5 is een zij- en bovenaanzicht van het stralingspatroon te zien.

Figuur 1.5: Stralingspatroon [15].

Bundelbreedte

De bundelbreedte wordt bepaald door de spreidingshoek tussen twee identieke punten aan tegengestelde kanten. Deze punten zijn afhankelijk van de soort bundelbreedte die beschouwd wordt. Zo zijn er twee conventionele mogelijkheden, namelijk Half-Power Beam Width (HPBW) en First Null Beam Width (FNBW).

Bij de eerste mogelijkheid wordt gekeken wanneer de helft van het vermogen bereikt wordt om zo de plaats van de punten te bepalen. De hoek tussen deze punten zal dan de HPBW genoemd worden.

De tweede mogelijkheid zal kijken naar wanneer het vermogen voor de eerste keer gelijk aan 0 wordt om de bundelbreedte te bepalen [15]. In Figuur 1.6 is een schematische weergave te zien van de twee besproken methodes.

1.3. ANTENNES 9

Figuur 1.6: Bundelbreedte [15]

1.3.2 Meandered Inverted-F Antenne

Nu de verschillende parameters besproken zijn, kan overgegaan worden naar antennes die de aandacht trekken om verder te onderzoeken. De eerste soort antenne is een microstrip antenne en wordt meandered inverted-F antenne (MIFA) genoemd. De MIFA is een veelgebruikte antenne, doordat deze weinig ruimte inneemt op een PCB. Deze antenne is gebaseerd op een inverted-F antenne, echter zal de MIFA meanderend ontworpen worden om plaats te besparen [17]. Met deze meandering ziet de antenne eruit zoals te zien in Figuur 1.7.

Met de eigenschappen die in Figuur 1.7 te zien zijn, wordt de resonantiefrequentie gelijk aan 2,45 GHz. Deze configuratie zal dus gebruikt kunnen worden voor Bluetooth doeleinden. Om de antenne te matchen met de gewenste parameters kan er gespeeld worden met de lengte van het einde van de antenne, de lengte van de meandering en de lengte van de kortsluitingslijn. [17].

Zoals elke andere antenne heeft de MIFA een stralingspatroon. De tweedimensionale versie hiervan is te zien in Figuur 3.3. Uit dit patroon kan besloten worden dat de antenne een vrij omnidirectionele straler is, met een voorkeur naar de rechterkant.

10 1.3. ANTENNES

Figuur 1.7: Meandered Inverted-F Antenne (2,45 GHz) [17].

1.3. ANTENNES 11

1.3.3 Folded Shorted-Patch antenne

Het is geweten dat planaire antennes verschillende voordelen hebben ten opzichte van andere soorten antennes. Zo is een belangrijke eigenschap dat deze goedkoop in productie zijn. Deze antennes nemen echter voor sommige doeleinden te veel ruimte in. De folded Shorted-Patch (folded S-P) antenne is ontworpen om deze grootte te reduceren. Deze antenne is gebaseerd op een S-P antenne met het verschil dat de folded versie bestaat uit twee patches die zich boven elkaar bevinden in plaats van ´e´en grotere patch. Hierdoor kan er plaats uitgespaard worden [18], [19]. De folded versie van de antennes wordt weergegeven in Figuur 1.9.

Figuur 1.9: Folded S-P antenne [18].

Naast het verkleinen van de benodigde ruimte is het natuurlijk de bedoeling om dezelfde karakteristieken te behouden als die van de S-P antenne. Wanneer het elektrisch veld van beide antennes vergeleken wordt in Figuur 1.10, is te zien dat het elektrische veld van de folded S-P geconcentreerd is tussen de bovenste en onderste patch, net zoals het rechter deel van de unfolded S-P. Ook bij het beschouwen van de oppervlakte stroom is een gelijkaardig gedrag te vinden. Hierbij valt op te merken dat de onder- en bovenkant van de onderste patch overeenkomen met de onderkant van de unfolded S-P en dat de onderkant van de bovenste patch overeenkomt met het rechter deel van het grondvlak onder de unfolded S-P [18].

Het stralingspatroon voor een resonante frequentie, gebruikmakend van zowel de unfolded als de folded S-P antenne, is te zien in Figuur 1.11. Hiervoor zijn de stralingsopeningen naar dezelfde kant gericht (de negatieve y richting). Wanneer deze figuur nader bekeken wordt, is te zien dat beide stralingspatronen sterk overeenkomen. De folded versie van de antennes heeft echter

12 1.3. ANTENNES

1.3. ANTENNES 13 een lagere directiviteit. Wat de effectiviteit van de folded S-P antenne betreft, zal deze ook iets lager zijn, dit is te wijten aan de verliezen bij de wand van de bovenste patch (zoals te zien in Figuur 1.10). Wanneer de resonantiefrequentie daalt door het reduceren van de breedte van de kortsluitingswanden of de afstand tussen de onderste en bovenste patch, dan zal de stralingseffici¨entie significant dalen [18].

14 1.3. ANTENNES Door het aanpassen van afmetingen is het mogelijk om enkele antenneparameters vast te leggen, waaronder de resonantiefrequentie. De afmetingen die bij de besproken antenne zorgen voor een resonantiefrequentie van 2,45 GHz, zijn te zien in tabel 1.1.

Tabel 1.1: Afmetingen folded S-P antenne (2,45 GHz) [18]. Parameter Lengte [mm] L1 14 L2 15 W1 15 W2 15 H1 2.85 H2 3.15 D1 15 D2 15 Yp 5

HOOFDSTUK 2. PCB DESIGN 15

Hoofdstuk 2

PCB design

Dit hoofdstuk zal de ontwikkeling van de printplaat (PCB) behandelen. Eerst zal aangehaald worden wat reeds ter beschikking is door eerder onderzoek. Daarna zal dieper ingegaan worden op de ontwerpeisen van de PCB en de implementatie hiervan.

2.1 Eerder onderzoek

Aan de Universiteit Gent is reeds onderzoek gedaan naar een systeem om dodehoekongevallen aan te pakken. Dit onderzoek resulteerde naar een systeem met vijf verschillende detectienodes die geplaatst worden op de voor-, achter- en rechterzijkant van de vrachtwagen. Deze nodes bepalen op basis van RSSI filtering of een zwakke weggebruiker zich al dan niet in een dodehoekgebied bevindt. De zwakke weggebruiker draagt een wearable die de vrachtwagen zal detecteren. Om de vrachtwagenbestuurder zelf te waarschuwen bevindt er zich een node in de cabine. Het systeem maakt gebruik van BLE4.2 communicatie om een verbinding te verzorgen tussen de detectienodes onderling als ook met de wearable [4]. Het besproken systeem is te zien in Figuur 2.1. Hierop zijn de vijf verschillende nodes gemonteerd op de vrachtwagen. Deze nodes bevinden zich steeds ± 4 m uit elkaar [4].

In het reeds ontworpen systeem is echter nog ruimte voor verbetering. Zo is het namelijk de bedoeling om de detectienodes te fusioneren met de bestaande zijlichten van een vrachtwagen. Dit is te zien in Figuur 2.2. Om dit te volbrengen zal een miniaturisatie van de nodes noodzakelijk zijn. Hiernaast zal ook het communicatieprotocol een upgrade krijgen door over te schakelen naar BLE mesh. Hierdoor kan een rij van met elkaar geconnecteerde detectienodes gevormd worden.

16 2.2. ONTWERPVEREISTEN

Figuur 2.1: Nodes op vrachtwagen [4].

Figuur 2.2: Zijlicht, geplaatst op een vrachtwagen.

2.2 Ontwerpvereisten

Het verbeteren van het hierboven besproken systeem gaat gepaard met enkele ontwerpeisen. Zo moet de node kunnen werken met RSSI en heeft het BLE mesh (IEEE 802.15.1) als communicatieprotocol. Aangezien de node in het zijlicht van een vrachtwagen dient geplaatst te worden, wordt een maximale grootte van 2 cm × 3 cm opgelegd. Tot slot moet de node eenvoudig te installeren en relatief goedkoop zijn.

2.3. COMMUNICATIEPROTOCOL 17

2.3 Communicatieprotocol

2.3.1 Bluetooth

Zoals reeds gezegd zal er in dit project gewerkt worden met Bluetooth mesh. Dit draadloze communicatieprotocol is ideaal om persoonlijke netwerken op te zetten van enkele tot honderden meters groot, een uitstekende keuze dus voor het gebruik bij een vrachtwagen.

De draadloze eigenschap van Bluetooth is vooral belangrijk bij de installatie van het te ontwerpen systeem. Zo kan een plug & play apparaat ontworpen worden zodat de gebruiker het systeem enkel nog hoeft te plaatsen, maar geen problemen heeft wat betreft bekabeling van de ene node naar de andere node.

2.3.2 Topologie

Met de opkomst van BLE mesh kan binnen Bluetooth gekozen worden tussen drie topologi¨en: master-slave, one-to-many en mesh. Voor het verschil tussen deze topologi¨en kan verwezen worden naar sectie 1.2.

Zoals in Figuur 2.1 te zien is, vormen de verschillende nodes een rij op de vrachtwagen. Hierdoor wordt gekozen voor het gebruik van meshtopologie, zodat een netwerk gevormd kan worden dat mogelijk maakt om berichten over de verschillende nodes te laten hoppen.

Stel dat een netwerk opgebouwd is uit vijf nodes, zoals in Figuur 2.3 wordt weergegeven. Wanneer node 1 en node 5 zich buiten elkaars zend- en ontvangstradius bevinden, zal het toch mogelijk zijn om berichten naar elkaar te sturen. Node 1 zal daarvoor eerst het bericht naar een andere node sturen, beschouw dit als node 2. Node 2 zal nadien het bericht kunnen doorsturen naar node 3. Dit herhaalt zich totdat het bericht bij node 5 geraakt. Dit principe wordt forwarding genoemd [20].

Node 1

Node 2

Node 3

Node 4

Node 5

18 2.4. IMPLEMENTATIE

2.4 Implementatie

Met de info die gegeven werd in de vorige secties, kan overgegaan worden naar de implementatie van de detectienodes en welke componenten er voor deze nodes voorzien worden.

Zoals te zien is in Figuur 2.4, bestaat de node uit drie bouwblokken. Deze bouwblokken bestaan elk uit de nodige componenten. Zo zal het voedingblok (geel) bestaan uit de voeding zelf, maar ook een spanningsregulator. Het digitale gedeelte (blauw) bestaat uit de BLE chip die alle verwerkingen zal doen en wordt omringd door oscillatiekristallen, enkele LEDs en een Tag-connect footprint om het programmeren van de chip mogelijk te maken. Tot slot bestaat het RF gedeelte (groen) uit een matchingnetwerk en een op maat gemaakte antenne. Deze antenne zal uitgebreid besproken worden in hoofdstuk 3.

Microcontroller Voeding DC-DC converter Oscillatiekristallen LEDs Tag-Connect Matchingnetwerk Antenne

Figuur 2.4: Implementatie van een node.

2.4.1 Componenten

De reeds besproken bouwblokken bestaan uit enkele componenten. Deze componenten zullen besproken worden in dit onderdeel. Ook is in Bijlage C de bill of materials (BOM) te zien.

2.4. IMPLEMENTATIE 19

BLE chip

Als eerste onderdeel is er de BLE chip. Dit is de basis van de node en zal alle verwerkingen op zich nemen.

Voor deze chip wordt gekozen voor EFR32MG13 van Silicon Labs. De chip bevat zowel een energiezuinige, 40 MHz ARM Cortex-M4 microcontroller (MCU) als een RF tranceiver, verpakt in een QFN48 package. Deze combinatie zorgt voor de nodige plaatsbesparing op de PCB. De MCU beschikt over 512 kB flash programmageheugen en 64 kB RAM datageheugen. Verder behoort deze MCU tot de multi-protocol chip familie, hierdoor is het mogelijk om met BLE mesh te werken. De ingebouwde radio beschikt over een zendvermogen van 19 dBm voor een freq van 2,4 GHz. Tot slot blijft de werkzaamheid gegarandeerd voor temperaturen tussen −45 °C tot 85 °C waaruit besloten kan worden dat deze chip geschikt is voor extreme weersomstandigheden [21].

DC-DC converter

Om de BLE chip correct te voeden wordt gebruik gemaakt van een DC-DC converter die inkomende voeding van een batterij of de vrachtwagen omzet naar 3,3 V. De component die hiervoor zal zorgen is de ADP3330 van Analog Devices.

De ADP3330 is een zeer nauwkeurige low dropout (LDO) regulator. Ook zorgt deze component voor weinig ruis, kan spanningen verwerken van 2,9 V tot 12 V en levert een maximale stroom van 200 mA. De chip blijft werkzaam tussen temperaturen die gaan van −45 °C tot 85 °C. Een bijkomend en niet onbelangrijk voordeel is de relatief goedkope prijs [22], [23].

Oscillatiekristallen

Ondanks dat de EFR32MG13 interne oscillatiekristallen bevat, is er een mogelijkheid om twee externe kristallen te connecteren.

Het eerste kristal is een hoogfrequent kristal dat zich, volgens de datasheet van EFR32MG13 [21], tussen 38 MHz en 40 MHZ moet bevinden. Daardoor wordt gekozen voor een kristal met een oscillatiefrequentie van 38,4 MHz [24], [25]. Dit kristal zal gebruikt worden voor de radio doeleinden.

Het tweede kristal is een laagfrequent kristal met een frequentie van 32,768 kHz. Deze zal een accurate timing voorzien wanneer de BLE chip zich in lage energie modus bevindt [26], [27].

20 2.4. IMPLEMENTATIE

Leds

Verder worden er enkele leds toegevoegd zodat de PCB de zijlichtfunctie kan uitvoeren. Er wordt gekozen voor drie heldere, witte leds zodat de zijlichten duidelijk zichtbaar blijven in het verkeer [28].

Om de mogelijkheid bestaande te houden dat de zijlichten een extra waarschuwingsfunctie krijgen, worden de leds verbonden met I/O pinnen van de MCU in plaats van rechtstreeks met de voeding. Zo kan de MCU eventueel geprogrammeerd worden om, in geval van gevaar voor de zwakke weggebruiker, een waarschuwing te genereren door bijvoorbeeld de leds enkele keren te laten knipperen wanneer deze zich in het dodehoekgebied bevindt.

Tag-connect

Om de MCU te kunnen programmeren, moeten hier aansluitingen voor voorzien worden. Deze aanlsuitingen zorgen voor een mogelijke connectie met een Tag-connect. Deze Tag-connect werkt volgens het Serial Wire Debug (SWD) protocol en ziet eruit zoals in Figuur 2.5 is weergegeven. De gebruikte versie beschikt over zes signaalpinnen en drie bevestigingspinnen. Deze bevestigingspinnen kunnen aan de andere kant van de PCB geklemd worden [29].

Figuur 2.5: Tag-connect met 6 signaalpinnen en 3 bevestigingspinnen [30].

De eerder vermelde signaalpinnen hebben elk hun functie om het programmeren van de MCU mogelijk te maken. Zo is er een voedingspin, een grondpin en een resetpin, maar ook een pin voor SWO, SWDIO en SWCLK [31].

SMA-connector

In de ontwerpfase zal de antenne zich nog niet op de detectienode zelf bevinden. Daarom werd er een connector voorzien die een verbinding maakt tussen de PCB en de antenne. Voor deze verbinding wordt een SMA-connector gekozen met een impedantie van 50 Ω. Deze connector zal vier pinnen hebben die met de grond verbonden kunnen worden en ´e´en pin die met de

2.4. IMPLEMENTATIE 21 transmissielijn verbonden wordt [32]. Door deze structuur is het mogelijk om de connector over de PCB te schuiven en langs beide zijden vast te solderen.

2.4.2 PCB ontwerp

Door de opgelegde limieten wat betreft de grootte van de detectienode, worden de grenzen van de PCB vastgelegd op een breedte van 3 cm en een hoogte van 2 cm. Daarnaast zal de PCB transmissielijnen bevatten voor het transporteren van de RF signalen. Om enerzijds deze afmetingen te respecteren en anderzijds een goed RF design te volbrengen, wordt gekozen voor een 4-lagen PCB. Hierover volgt later in dit hoofdstuk meer uitleg.

Zoals te zien is in Figuur 2.6, zal de 4-lagen structuur van de PCB als volgt worden opgebouwd. Aangezien de BLE chip zowel een digitale grond verwacht (voor het digitale gedeelte) als een analoge grond (voor het RF gedeelte), zal de toplaag zowel een analoog grondvlak als een digitaal grondvlak bevatten. Deze worden volledig gescheiden van elkaar met uitzondering van ´e´en connectie die de grondvlakken met elkaar verbindt. Hiernaast bevinden er zich ook componenten op deze toplaag. De laag hieronder zal enkel bestaan uit een analoog grondvlak, wat een goede scheiding vormt voor de transmissielijn die besproken wordt in sectie 2.4.3. Laag drie zal een voedingslaag vormen voor de PCB. Hierop zal een spanning van 3,3 V staan. De bottomlaag zal, net zoals de toplaag, componenten bevatten. Hiernaast zal er een digitale grond te vinden zijn om de overige componenten van het digitale gedeelte mee te verbinden. Tot slot zijn er nog de substraten die zich tussen de geleidende vlakken bevinden.

Aangezien de PCB uiteindelijk op een vrachtwagen gemonteerd dient te worden, speelt de plaatsing van componenten op top- of bottomlaag een grote rol. Zo worden de leds vanzelfsprekend op de buitenste laag (ten opzichte van de vrachtwagen) van de PCB geplaatst. Dit wordt de bottomlaag. Maar ook de connectie met de Tag-Connect en de resetknop worden op deze zelfde laag geplaatst. Zo zal het na installatie toch mogelijk zijn om eventuele updates of resets uit te voeren. De rest van de reeds besproken componenten bevinden zich op de toplaag.

2.4.3 Grounded coplanar waveguide

Om de chip te connecteren met een antenne zal gebruik gemaakt worden van een transmissielijn, meer bepaald een grounded coplanar waveguide of GCPW (extra informatie hierover is te vinden in Bijlage A). Deze GCPW zal in eerste instantie een verbinding verzorgen tussen de antenne pin

22 2.4. IMPLEMENTATIE

Figuur 2.6: Structuur van de PCB.

op de BLE-chip en de SMA-connector op de rand van de PCB. Deze transmissielijn zal ontworpen worden naar een impedantie van 50 Ω om reflecties te minimaliseren.

De impedantie van een GCPW hangt af van verschillende factoren, waaronder het substraat (dikte, di¨elektrische constante), het geleidende materiaal (dikte, breedte) en de afstand van de geleidende baan tot de omliggende grondvlakken. Het ontwerp van dergelijke transmissielijn hangt dus deels af van de leverancier van de PCB.

Voor deze masterproef wordt in eerste instantie gewerkt met Eurocircuits als PCB-leverancier. Dit levert de eigenschappen op, zoals weergegeven in Tabel 2.1.

Tabel 2.1: PCB-eigenschappen Eurocircuits [33], [34].

Dikte [µm] Di¨elektrische constante (r) Substraat 360 4,34 Geleidend materiaal 350 /

De parameters die nog bepaald moeten worden zijn dus de breedte van de transmissielijn en de afstand tot de omliggende grondvlakken. Dit zal gebeuren met behulp van Advanced Design System (ADS) [35]. Hierin is namelijk een tool beschikbaar waarin, met behulp van al deze

2.4. IMPLEMENTATIE 23 gegevens, de resterende parameters bepaald kunnen worden om een correcte impedantie te verkrijgen.

De parameters die de gebruikte tool weergeeft om een impedantie van 50 Ω te behalen zijn 550µm en 827,674 µm voor respectievelijk de breedte van de transmissielijn en de afstand tot de omliggende grondvlakken. Door gebruik te maken van deze parameters, kunnen transmissielijnen gebruikt worden van 50 Ω.

Om een overgang te voorzien van de chip naar de GCPW en van de GCPW naar de SMA wordt een taper gemaakt. Deze taper gaat respectievelijk van 0,26 mm naar 0,55 mm en van 0,55 mm naar 0,82 mm. Om hierbij een impedantie van 50 Ω te behouden zal de afstand tussen de transmissielijn en het grondvlak mee aangepast worden. Voor 0,22 mm zal deze afstand 0,2634 mm bedragen. Voor een transmissielijn met een breedte van 0,82 mm is dit 3,597 mm.

2.4.4 Matchingnetwerk

In de vorige sectie werd het ontwerp van de transmissielijn behandeld die voor een connectie tussen de chip en de SMA-connector zorgt. Maar aangezien de chip een impedantie heeft van 23+j11,5 Ω en de SMA-connector een impedantie heeft van 50 Ω , zal er een matchingnetwerk voorzien worden [36], [32].

De bronimpedantie van de chip meet zoals reeds vermeld 23+j11,5 Ω. Om deze te matchen zal gebruik gemaakt worden van een vierde-orde netwerk. Dit netwerk bestaat uit twee L-schakelingen van elk een serie spoel en shunt condensator. Dit is weergegeven in Figuur 2.7. Om matching te hebben moet er gebruik gemaakt worden van het complex toegevoegde of ook wel geconjugeerde matching1_{genoemd. Daarom wordt de source impedantie geconjugeerd naar} 23−j11,5 Ω.

Om nu de waarden van de componenten te achterhalen, wordt er opnieuw gewerkt met het computerprogramma ADS. Hierin wordt een gelijkaardige schakeling, zoals in Figuur 2.7, gesimuleerd om zo een impedantiematching te bekomen. Om deze simulatie tot een goed 1_{Om het actieve vermogen, gedissipeerd door de load, te maximaliseren, zal de load weerstand gelijk moeten zijn} aan de source weerstand en de load reactantie zal het negatieve zijn van de source reactantie. In andere woorden zal de load impedantie het geconjugeerde moeten zijn van de source impedantie. Vandaar de term: geconjugeerde matching [37], [38].

24 2.4. IMPLEMENTATIE

L1 L2

C1 C2

23+11.5j Ω 50 Ω

Figuur 2.7: Vierde-orde matchingnetwerk.

einde te brengen, worden voorwaarden meegegeven. In dit geval worden twee voorwaarden toegevoegd:

• Matching: tussen 2,35 GHz en 2,55 GHz moet de reflectieco¨effici¨ent S11 kleiner zijn dan −10 dB.

• Rejection: voor frequenties die kleiner zijn dan 2,2 GHz en groter dan 2,7 GHz, wordt verwacht dat S11groter is dan −10 dB.

Wanneer deze voorwaarden grafisch voorgesteld worden, zal een karakteristiek verwacht worden zoals in Figuur 2.8. Hierin zijn de blauwe vlakken gebieden waar de S11-parameter niet mag komen.

28 2.4. IMPLEMENTATIE

Figuur 2.9: Plot van L1, C1, L2, C2op een Smithkaart.

Wanneer de componenten samen met de transmissielijn gesimuleerd worden, zal er een karakteristiek zijn volgens de vooropgestelde voorwaarden van Figuur 2.8. Deze simulatie is te

zien in Figuur 2.10 en toont duidelijk dat tussen 2,35 GHz en 2,55 GHz de waarde van S11kleiner

is dan −10 dB. De laagste waarde zal op ongeveer 2,45 GHz liggen.

2 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 3 −30 −20 −10 0 frequentie [GHz] dB

Figuur 2.10: Simulatie van de ontworpen transmissielijn met matchingnetwerk bestaande uit componenten

van Murata.

Figuur 2.8: Simulatievoorwaarden voor de reflectieco¨effici¨entS11.

Bij het uitvoeren van de eerder vermelde schakeling en voorwaarden, worden vier waarden weergegeven wat betreft de gekozen componenten. De waarden zijn weergegeven in Tabel 2.2.

2.4. IMPLEMENTATIE 25 Tabel 2.2: Componenten met desbetreffende waarden.

Component Waarde

L1 1,000 19 nH

L2 1,5309 nH

C1 6,185 59 pF

C2 4,150 31 pF

Wanneer deze waarden geplot worden op een Smithkaart, wordt het resultaat in Figuur 2.9 bekomen. Hier is duidelijk te zien dat de source gematcht wordt met de load.

3.4. IMPLEMENTATIE 29

28 2.4. IMPLEMENTATIE

Figuur 2.9: Plot van L1, C1, L2, C2op een Smithkaart.

Wanneer de componenten samen met de transmissielijn gesimuleerd worden, zal er een karakteristiek zijn volgens de vooropgestelde voorwaarden van Figuur 2.8. Deze simulatie is te zien in Figuur 2.10 en toont duidelijk dat tussen 2,35 GHz en 2,55 GHz de waarde van S11kleiner is dan −10 dB. De laagste waarde zal op ongeveer 2,45 GHz liggen.

2 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 3 −30 −20 −10 0 frequentie [GHz] dB

Figuur 2.10: Simulatie van de ontworpen transmissielijn met matchingnetwerk bestaande uit componenten van Murata.

Figuur 3.8: Simulatievoorwaarden voor de reflectieco¨effici¨entS11.

0.2 0.5 1 2 5 0 0.2 0.5 1 2 5 −0.2 −0.5 −1 −2 −5

Figuur 3.9: Plot vanL1, C1, L2, C2op een Smithkaart.

Wanneer deze waarden geplot worden op een Smithkaart, wordt het resultaat in Figuur 3.9 bekomen. Hier is duidelijk te zien dat de source gematcht wordt met de load.

Hoewel deze waarden een goede indicatie geven van de werkelijk benodigde waarden, is het niet mogelijk om deze exacte waarden in componentvorm te vinden. Ook zijn de gebruikte componenten ideaal en wijken dus sterk af van de realiteit. Daarom wordt overgegaan naar werkelijke componenten van Murata. Deze componenten worden op de reeds ontworpen transmissielijn (sectie 3.4.3) geplaatst in ADS om een goede tuning uit te kunnen voeren. Na dit tunen worden de volgende waarden bekomen:

Figuur 2.9: Plot vanL1, C1, L2, C2op een Smithkaart.

Hoewel deze waarden een goede indicatie geven van de werkelijk benodigde waarden, is het niet mogelijk om deze exacte waarden in componentvorm te vinden. Ook zijn de gebruikte componenten ideaal en wijken dus sterk af van de realiteit. Daarom wordt overgegaan naar werkelijke componenten van Murata. Deze componenten worden op de reeds ontworpen transmissielijn (sectie 2.4.3) geplaatst in ADS om een goede tuning uit te kunnen voeren. Na dit tunen worden de waarden volgens Tabel 3.23a bekomen.

26 2.4. IMPLEMENTATIE Tabel 2.3: Componenten van Murata met desbetreffende waarden.

Component Waarde

L1,Murata 1,3 nH L2,Murata 1,6 nH C1,Murata 5,2 pF C2,Murata 3,6 pF

karakteristiek zijn volgens de vooropgestelde voorwaarden van Figuur 2.8. Deze simulatie is te zien in Figuur 2.10 en toont duidelijk dat tussen 2,35 GHz en 2,55 GHz de waarde van S11kleiner is dan −10 dB. De laagste waarde zal op ongeveer 2,45 GHz liggen.

30 3.4. IMPLEMENTATIE

• L1,Murata: 1,3 nH

• L2,Murata: 1,6 nH

• C1,Murata: 5,2 pF

• C2,Murata: 3,6 pF

Wanneer de componenten samen met de transmissielijn gesimuleerd worden, zal er een karakteristiek zijn volgens de vooropgestelde voorwaarden van Figuur 3.8. Deze simulatie is te zien in Figuur 3.10 en toont duidelijk dat tussen 2,35 GHz en 2,55 GHz de waarde van S11kleiner is dan −10 dB. De laagste waarde zal op ongeveer 2,45 GHz liggen.

2 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 3 −30 −20 −10 0 frequentie [GHz] dB s11

Figuur 3.10: Simulatie van de ontworpen transmissielijn met matchingnetwerk bestaande uit componenten

van Murata.

3.4.5 Problemen GCPW

Tijdens het ontwerpproces van de GCPW zijn enkele problemen ontdekt wat betreft de transmissielijn. De transmissielijn werd met behulp van ADS ontworpen, zo kon hier de nodige breedte van de signaallijn en de afstand tot de grondvlakken uitgehaald worden. Het is bij deze simulatie dat enkele dingen misgelopen zijn. Zo werd van leverancier veranderd, zonder er bij stil te staan dat dit een invloed zou kunnen hebben op de diktes van het substraat en koperen banen. Losstaand van dit voorval, werd er ook een typfout opgemerkt bij de simulatie. Zo werd 350µm genomen voor de koperdikte in plaats van de correcte 35 µm [34].

Figuur 2.10: Simulatie van de ontworpen transmissielijn met matchingnetwerk bestaande uit componenten

van Murata.

2.4.5 Problemen GCPW

Tijdens het ontwerpproces van de GCPW zijn enkele problemen ontdekt wat betreft de transmissielijn. De transmissielijn werd met behulp van ADS ontworpen, zo kon hier de nodige breedte van de signaallijn en de afstand tot de grondvlakken uitgehaald worden. Het is bij deze simulatie dat enkele dingen misgelopen zijn. Zo werd van leverancier veranderd, zonder er bij stil te staan dat dit een invloed zou kunnen hebben op de diktes van het substraat en koperen banen. Losstaand van dit voorval, werd er ook een typfout gemaakt bij de simulatie. Zo werd 350µm genomen voor de koperdikte in plaats van de correcte 35 µm [33].