Klíčové body tohoto článku.
-RF antény přicházejí v mnoha podobách, od plochých antén integrovaných do čipu až po měděné antény vytištěné přímo na desce plošných spojů.
-Při vytváření rozvržení s jednou nebo více anténami je důležité zajistit, aby byly různé bloky obvodů desky plošných spojů navzájem izolovány.
-Při navrhování RF antény by měly být použity nástroje CAD, které mohou pomoci navrhnout izolované struktury, přechodové struktury a dokonce i tištěné antény pro PCB.
Spotřební elektroniku, která by neobsahovala anténu, si dnes lze jen těžko představit a dokonce i otvírače garážových vrat lze propojit s mobilním telefonem přes Bluetooth nebo WiFi. Pokaždé, když je do plošného spoje přidána nová RF anténa, vytváří to pro návrháře RF nové výzvy, zejména proto, že současné návrhy se opět zaměřují na dovednosti analogového návrhu. Jak mohou konstruktéři zajistit, že signál v systému nebude poškozen a že bude zachována integrita signálu, když se do nových PCB přidává tolik funkcí RF?
Některé jednoduché konstrukční volby mohou zajistit, že RF signály nebudou zeslabeny blízkými digitálními komponenty, ale také pomohou zabránit interferenci mezi více analogovými signály. I když existuje mnoho aspektů návrhu RF, které je třeba vzít v úvahu při navrhování systému se smíšeným signálem nebo plného RF systému, návrh a uspořádání antény jsou pravděpodobně dva nejdůležitější. Níže se dozvíme o návrhu RF antény v uspořádání PCB a jak zajistit integritu analogového signálu.
Základy návrhu RF antény
Při navrhování vlastní antény nebo výběru antény COTS pro RF PCB je třeba dodržovat několik základních bodů. Všechny RF antény mají některé speciální vlastnosti, které je třeba vzít v úvahu ve fázi návrhu. Každá anténa musí mít následující součásti.
-Plovoucí vodivý zářič: anténní jednotka používaná k vyzařování záření.
-Referenční rovina: referenční rovina nebo jednotka antény pomáhá určit směrovost struktury antény v každém režimu antény.
- Napájecí vedení: napájecí vedení se používá k přenosu vstupního signálu z RF prvku do vyzařovací anténní jednotky.
-Impedanční přizpůsobovací síť: Anténa má typicky impedanci asi 10 ohmů, a proto musí být přizpůsobena impedanci napájecího vedení, aby se zabránilo odrazům a zajistil se maximální přenos výkonu na požadované nosné frekvenci a šířce pásma.
Mnoho standardních návrhů antén bylo dobře prostudováno. Na internetu lze nalézt mnoho referenčních návrhů, které lze následně zkopírovat do vlastního rozvržení PCB. Mnoho návrhových vzorců pro standardní anténní konstrukce najdeme také v učebnicích mikrovlnného inženýrství. A konečně, pokud někdo chce použít COTS RF anténu, na trhu je k dispozici mnoho levných provedení. Bez ohledu na to, kterou RF anténu se rozhodnete použít, je třeba ji pečlivě umístit do rozvržení, aby se zabránilo rušení mezi různými částmi desky.
Tipy pro rozložení RF antény
Po návrhu antény je třeba určit, kam ji na desce plošných spojů umístit. Návrháři RF mohou získat několik tipů od návrhářů se smíšeným signálem (většina desek RF jsou ve skutečnosti desky se smíšeným signálem), aby se zabránilo interferenci mezi front-endem, back-endem a digitálními sekcemi RF.
-Efektivní vyzařování: navrženo tak, aby zajistilo, že záření z anténní jednotky opustí desku a nebude zachycováno jinými strukturami v rozložení PCB.
-Isolation: Opět nechceme, aby se více částí plošného spoje přímo vzájemně rušilo.
-Elektromagnetická kompatibilita (EMC): Konečně je nutné zajistit, aby uspořádání nepřijímalo signály z jiných zařízení, která mohou vysílat signály v širokém rozsahu frekvencí.
Ve skutečném návrhu desky plošných spojů si většina návrhových cílů konkuruje, ale je třeba dodržovat dva klíčové body, které pomohou tyto cíle návrhu vyvážit.
Udržujte bloky obvodů oddělené od sebe v uspořádání PCB
Toto je základní návrhový bod PCB se smíšeným signálem a vztahuje se také na uspořádání RF antény. Sekce antény musí být umístěna na desce a oddělena od ostatních obvodových bloků. Obecně je nejlepší umístit anténní sekci blízko okraje desky a dále od ostatních analogových komponent. To omezuje silné záření na jedno místo na desce a zajišťuje minimální rušení mezi sekcemi.
Úkolem sítě je zajistit, aby se zpětné cesty různých sekcí vzájemně nerušily, což by jinak vedlo k rušení a přeslechům. Použití polního řešiče integrovaného v pokročilém nástroji pro návrh PCB pomůže odhalit odchylky ve zpětné cestě při vytváření rozvržení. U vysokofrekvenčních návrhů použijte souvislou strukturu zemní plochy, aby byla zajištěna konzistentní zpětná cesta.
Izolované sekce antény
Moderní mobilní telefony a zařízení pro vysokorychlostní datové sítě využívají kreativní izolační struktury, které se staly zlatým standardem pro RF izolační technologii. Docela jednoduše, izolace je umístění nějakého stínění kolem RF citlivých komponent na desce, aby se zastavilo šíření vln mezi vysílačem a přijímačem. Níže uvedená tabulka popisuje některé struktury, které lze použít v sekci RF antény k izolaci součástí, napájecích vedení a antén nebo k izolaci externích zdrojů šumu.
Izolační struktury jsou obvykle umístěny mezi RF komponenty, aby se zabránilo rušení šumu a výměně energie mezi nimi. Určení, kterou izolační strukturu použít k zajištění integrity signálu RF antény, je složitým konstrukčním problémem, který byl v průmyslu důkladně prozkoumán. Pokud nejsme odborníky na eliptickou integraci, musíme se spolehnout na elektromagnetické (EM) pole pro řešení, abychom určili, jak tyto struktury ovlivňují impedanci napájecí/RF antény a úroveň izolace, kterou tyto struktury poskytují.
Pokud se použije EM pole řešič, lze použít simulace blízkého a vzdáleného pole k určení oblastí rozložení PCB, kde dochází k silným emisím. Jakmile jsou tyto oblasti identifikovány spolu s vysílanými frekvencemi, pomůže to určit, jaký typ izolační strategie by měl být použit. Nejlepší je použít frekvenční doménu přímo (metoda FDFD) spíše než používat Fourierovu transformaci pro převod výsledků FDTD.
Návrh a vytvoření rozvržení RF antény vyžaduje zvláštní pozornost věnovanou detailům, takže má smysl věnovat zvýšenou pozornost zajištění izolace a integrity signálu RF designu.
