Kluczowe punkty tego artykułu.
-Anteny RF występują w wielu formach, od płaskich anten zintegrowanych z chipem po miedziane anteny drukowane bezpośrednio na płytce drukowanej.
-Podczas tworzenia układu z jedną lub większą liczbą anten, ważne jest, aby upewnić się, że różne bloki obwodów PCB są od siebie odizolowane.
-Przy projektowaniu anteny RF należy używać narzędzi CAD, które mogą pomóc zaprojektować izolowane struktury, struktury przejściowe, a nawet drukowane anteny do PCB.
Dziś trudno sobie wyobrazić produkt elektroniki użytkowej, który nie zawiera anteny, a nawet otwieracze drzwi garażowych można podłączyć do telefonu komórkowego przez Bluetooth lub WiFi. Za każdym razem, gdy nowa antena RF jest dodawana do układu PCB, stwarza to nowe wyzwania dla projektanta RF, zwłaszcza że obecne projekty ponownie koncentrują się na umiejętnościach projektowania analogowego. Przy tak wielu funkcjach RF dodawanych do nowych płytek drukowanych, w jaki sposób projektanci mogą zapewnić, że sygnał w systemie nie zostanie uszkodzony i zachowana zostanie integralność sygnału?
Niektóre proste wybory projektowe mogą zapewnić, że sygnały RF nie zostaną osłabione przez znajdujące się w pobliżu komponenty cyfrowe, ale pomogą również zapobiec interferencji między wieloma sygnałami analogowymi. Chociaż istnieje wiele aspektów projektowania RF, które należy wziąć pod uwagę przy projektowaniu mieszanego sygnału lub pełnego systemu RF, projekt i układ anteny są prawdopodobnie dwoma najważniejszymi. Poniżej dowiadujemy się o konstrukcji anteny RF w układzie PCB oraz o tym, jak zapewnić integralność sygnału analogowego.
Podstawy projektowania anten RF
Projektując niestandardową antenę lub wybierając antenę COTS do PCB RF, należy przestrzegać kilku podstawowych punktów. Wszystkie anteny RF mają pewne szczególne cechy, które należy wziąć pod uwagę na etapie projektowania. Każda antena musi mieć następujące elementy.
- Pływający promiennik przewodzący: jednostka anteny służąca do emitowania promieniowania.
- Płaszczyzna odniesienia: płaszczyzna odniesienia lub jednostka anteny pomaga określić kierunkowość struktury anteny w każdym trybie anteny.
-Feedline: feedline służy do przesyłania sygnału wejściowego z elementu RF do jednostki anteny promieniującej.
-Sieć dopasowująca impedancję: Antena ma zwykle impedancję około 10 omów i dlatego musi być dopasowana do impedancji linii zasilającej, aby zapobiec odbiciom i zapewnić maksymalny transfer mocy przy pożądanej częstotliwości nośnej i szerokości pasma.
Wiele standardowych konstrukcji anten zostało dobrze zbadanych. W Internecie można znaleźć wiele projektów referencyjnych, które można następnie skopiować do własnego układu PCB. W podręcznikach inżynierii mikrofalowej znajdujemy również wiele wzorów do projektowania standardowych konstrukcji antenowych. Wreszcie, jeśli ktoś chce zastosować antenę COTS RF, na rynku dostępnych jest wiele niedrogich konstrukcji. Niezależnie od tego, którą antenę RF wybierzesz, należy ją ostrożnie umieścić w układzie, aby zapobiec zakłóceniom między różnymi częściami płyty.
Wskazówki dotyczące układu anteny RF
Po zaprojektowaniu anteny należy określić, gdzie na płytce PCB należy ją umieścić. Projektanci RF mogą uzyskać kilka wskazówek od projektantów o mieszanym sygnale (większość kart RF to w rzeczywistości karty o mieszanym sygnale), aby zapobiec zakłóceniom między sekcjami RF front-end, back-end i cyfrowymi.
-Wydajne promieniowanie: zaprojektowane w celu zapewnienia, że promieniowanie z jednostki antenowej opuszcza płytkę i nie jest odbierane przez inne struktury w układzie PCB.
-Izolacja: Ponownie, nie chcemy, aby wiele części układu PCB kolidowało ze sobą bezpośrednio.
-Kompatybilność elektromagnetyczna (EMC): Wreszcie należy upewnić się, że układ nie odbiera sygnałów z innych urządzeń, które mogą emitować sygnały w szerokim zakresie częstotliwości.
W rzeczywistym projekcie PCB większość celów projektowych konkuruje ze sobą, ale istnieją dwa kluczowe punkty, które pomogą zrównoważyć te cele projektowe.
Trzymaj bloki obwodów oddzielnie od siebie w układzie PCB
Jest to podstawowy punkt projektowania PCB dla mieszanych sygnałów, który dotyczy również układu anteny RF. Sekcja antenowa musi być umieszczona na płytce i odseparowana od pozostałych bloków obwodów. Ogólnie rzecz biorąc, najlepiej jest umieścić sekcję antenową blisko krawędzi płytki i z dala od innych komponentów analogowych. Ogranicza to silne promieniowanie do jednego miejsca na płycie i zapewnia minimalną interferencję pomiędzy sekcjami.
Wyzwaniem związanym z zazębianiem jest zapewnienie, aby ścieżki powrotne różnych sekcji nie kolidowały ze sobą, co w przeciwnym razie prowadziłoby do sprzężenia szumów i przesłuchów. Korzystanie z solwera terenowego zintegrowanego z zaawansowanym narzędziem do projektowania PCB pomoże wykryć odchylenia w ścieżce powrotnej podczas tworzenia układu. W przypadku projektów o wysokiej częstotliwości użyj ciągłej struktury płaszczyzny uziemienia, aby zapewnić spójną ścieżkę powrotną.
Izolowane sekcje antenowe
Nowoczesne telefony komórkowe i szybkie urządzenia sieciowe do transmisji danych wykorzystują kreatywne struktury izolacyjne, które stały się złotym standardem w technologii izolacji RF. Po prostu izolacja polega na umieszczeniu pewnego ekranu wokół elementów wrażliwych na RF na płycie, aby zatrzymać propagację fal między nadajnikiem a odbiornikiem. Poniższa tabela opisuje niektóre struktury, które można wykorzystać w sekcji anteny RF do izolowania komponentów, linii zasilających i anten lub do izolowania zewnętrznych źródeł zakłóceń.
Struktury izolacyjne są zwykle umieszczane między komponentami RF, aby zapobiec sprzężeniu szumów i wymianie mocy między nimi. Ustalenie, której struktury izolacji należy użyć, aby zapewnić integralność sygnału anteny RF, jest złożonym problemem projektowym, który został dokładnie zbadany przez branżę. Jeśli nie jesteśmy ekspertami w integracji eliptycznej, musimy polegać na narzędziach do rozwiązywania pól elektromagnetycznych (EM), aby określić, w jaki sposób te struktury wpływają na impedancję linii zasilającej/anteny RF oraz na poziom izolacji, jaki zapewniają te struktury.
Jeśli używany jest solwer pola EM, symulacje bliskiego i dalekiego pola mogą być użyte do określenia obszarów układu PCB, w których występują silne emisje. Po zidentyfikowaniu tych obszarów, wraz z emitowanymi częstotliwościami, pomoże to określić, jaki rodzaj strategii izolacji należy zastosować. Najlepiej jest używać bezpośrednio domeny częstotliwości (metoda FDFD), a nie używać transformaty Fouriera do konwersji wyników FDTD.
Projektowanie i tworzenie układu anteny RF wymaga szczególnej dbałości o szczegóły, dlatego warto zwrócić szczególną uwagę na izolację i integralność sygnału w projekcie RF.
