Ключевые моменты этой статьи.
-РЧ-антенны бывают разных форм, от плоских антенн, встроенных в микросхему, до медных антенн, напечатанных непосредственно на печатной плате.
-При создании макета с одной или несколькими антеннами важно следить за тем, чтобы разные схемные блоки печатной платы были изолированы друг от друга.
- При проектировании радиочастотной антенны следует использовать инструменты САПР, которые могут помочь в проектировании изолированных структур, переходных структур и даже печатных антенн для печатной платы.
Сегодня трудно представить бытовую электронику без антенны, и даже устройство открывания гаражных ворот можно подключить к мобильному телефону через Bluetooth или Wi-Fi. Каждый раз, когда в топологию печатной платы добавляется новая ВЧ-антенна, это создает новые проблемы для ВЧ-проектировщика, особенно потому, что современные разработки снова фокусируются на навыках аналогового проектирования. Как разработчики могут гарантировать, что сигнал в системе не будет искажен, а целостность сигнала будет сохранена, когда к новым печатным платам добавляется так много радиочастотных функций?
Некоторые простые варианты конструкции могут гарантировать, что РЧ-сигналы не будут ослаблены соседними цифровыми компонентами, но также помогут предотвратить интерференцию между несколькими аналоговыми сигналами. Несмотря на то, что при проектировании системы со смешанным сигналом или полной РЧ-системы необходимо учитывать множество аспектов ее проектирования, конструкция и компоновка антенны, вероятно, являются двумя наиболее важными. Ниже мы узнаем о конструкции радиочастотной антенны на печатной плате и о том, как обеспечить целостность аналогового сигнала.
Основы проектирования радиочастотных антенн
При проектировании пользовательской антенны или выборе стандартной антенны для РЧ печатной платы необходимо соблюдать несколько основных моментов. Все радиочастотные антенны имеют некоторые особенности, которые следует учитывать на этапе проектирования. Каждая антенна должна иметь следующие компоненты.
-Плавающий проводящий излучатель: антенный блок, используемый для излучения излучения.
-Опорная плоскость: опорная плоскость или блок антенны помогает определить направленность конструкции антенны в каждом режиме антенны.
-Feedline: фидерная линия используется для передачи входного сигнала от радиочастотного элемента к излучающему антенному блоку.
- Сеть согласования импеданса: Антенна обычно имеет импеданс около 10 Ом и, следовательно, должна быть согласована с импедансом фидерной линии, чтобы предотвратить отражения и обеспечить передачу максимальной мощности на желаемой несущей частоте и полосе пропускания.
Многие стандартные конструкции антенн хорошо изучены. В Интернете можно найти множество эталонных проектов, которые затем можно скопировать в собственную топологию печатной платы. Мы также можем найти множество расчетных формул для стандартных конструкций антенн в учебниках по СВЧ-технике. Наконец, если кто-то хочет использовать радиочастотную антенну COTS, на рынке доступно множество недорогих конструкций. Независимо от того, какую РЧ-антенну вы решите использовать, ее необходимо аккуратно разместить в макете, чтобы предотвратить помехи между различными частями платы.
Советы по размещению радиочастотной антенны
После проектирования антенны необходимо определить, где на печатной плате ее разместить. Разработчики ВЧ могут получить несколько советов от разработчиков смешанных сигналов (большинство плат ВЧ на самом деле являются платами со смешанными сигналами), чтобы предотвратить помехи между входной, задней и цифровой секциями ВЧ.
-Эффективное излучение: предназначено для того, чтобы излучение от антенного блока покидало плату и не попадало на другие конструкции в разводке печатной платы.
-Изоляция: Опять же, мы не хотим, чтобы несколько частей разводки печатной платы напрямую мешали друг другу.
-Электромагнитная совместимость (ЭМС): Наконец, необходимо убедиться, что макет не получает сигналы от других устройств, которые могут излучать сигналы в широком диапазоне частот.
При фактическом проектировании печатной платы большинство целей проектирования конкурируют друг с другом, но есть два ключевых момента, которым необходимо следовать, чтобы сбалансировать эти цели проектирования.
Держите блоки схемы отдельно друг от друга в топологии печатной платы.
Это основная точка проектирования печатной платы для смешанных сигналов, и она также применима к компоновке радиочастотной антенны. Секцию антенны необходимо разместить на плате и отделить от остальных схемных блоков. Как правило, антенную секцию лучше всего размещать ближе к краю платы и подальше от других аналоговых компонентов. Это ограничивает сильное излучение в одном месте на плате и обеспечивает минимальные помехи между секциями.
Задача создания сетки состоит в том, чтобы гарантировать, что обратные пути различных секций не будут мешать друг другу, что в противном случае привело бы к шумовой связи и перекрестным помехам. Использование полевого решателя, встроенного в расширенный инструмент проектирования печатных плат, поможет обнаружить отклонения в обратном пути при создании топологии. Для высокочастотных конструкций используйте непрерывную структуру заземляющего слоя, чтобы обеспечить постоянный обратный путь.
Изолированные антенные секции
В современных сотовых телефонах и высокоскоростных сетевых устройствах используются творческие структуры изоляции, которые стали золотым стандартом для технологии радиочастотной изоляции. Проще говоря, изоляция — это размещение некоторого экрана вокруг чувствительных к радиочастотам компонентов на плате, чтобы остановить распространение волн между передатчиком и приемником. В таблице ниже описаны некоторые конструкции, которые можно использовать в секции РЧ-антенны для изоляции компонентов, фидерных линий и антенн или для изоляции внешних источников шума.
Изолирующие конструкции обычно размещают между радиочастотными компонентами для предотвращения помех и обмена мощностью между ними. Определение того, какую структуру изоляции использовать для обеспечения целостности сигнала РЧ-антенны, является сложной проблемой проектирования, которая тщательно изучалась в отрасли. Если мы не являемся экспертами в области эллиптического интегрирования, нам нужно полагаться на решатели электромагнитного (ЭМ) поля, чтобы определить, как эти структуры влияют на импеданс фидерной линии/ВЧ-антенны, а также уровень изоляции, обеспечиваемый этими структурами.
Если используется решатель электромагнитного поля, можно использовать моделирование ближнего и дальнего поля для определения областей компоновки печатной платы, где возникают сильные излучения. Как только эти области будут определены вместе с излучаемыми частотами, это поможет определить, какой тип стратегии изоляции следует использовать. Лучше всего использовать частотную область напрямую (метод FDFD), а не использовать преобразование Фурье для преобразования результатов FDTD.
Проектирование РЧ-антенны и ее компоновка требуют особого внимания к деталям, поэтому имеет смысл уделить особое внимание обеспечению изоляции и целостности сигнала РЧ-проекта.
