Die beste PCB-Antennen-Design-Software erleichtert die Antennenimplementierung

Das Entwerfen von Antennen auf Leiterplatten kann für jede Software eine schwierige Aufgabe sein; jedoch sollte dies für Altium Designer kein Problem darstellen, der als Ihre bevorzugte Software für BLE-Antennendesign und vieles mehr dienen kann.

ALTIUM DESIGNER

Sicherstellen, dass Ihre Antennendesigns problemlos platziert werden

Die Nachfrage von Verbrauchern und der Industrie hat den Bedarf an kleineren drahtlosen Geräten vorangetrieben. Diese Geräte unterstützen tragbare Technologien, Bluetooth Low Energy (BLE)-Anwendungen, persönliche Kommunikationssysteme, Internet der Dinge (IoT)-Anwendungen, medizinische Technologien, fortschrittliche Fahrerassistenzsysteme im Automobilbereich und andere innovative Technologien. Jede dieser und anderer Anwendungen erfordert PCB-Antennen, die den physischen Fußabdruck und die Kosten reduzieren, während sie die Leistung beibehalten. Darüber hinaus müssen PCB-Antennendesigns auch auf Frequenzanforderungen reagieren, die vom typischen 2,4-GHz-Band bis zu Millimeterwellenfrequenzen reichen.

Anstelle der Verwendung eines dreidimensionalen Drahtes, der sich über die Leiterplatte oder eine Chipantenne erstreckt, besteht eine PCB-Antennen-Designsoftware aus einer auf einer gedruckten Leiterplatte (PCB) gezeichneten Spur. Je nach Art der Antenne und den räumlichen Einschränkungen umfassen die für PCB-Antennendesigner verwendeten Spurtypen gerade Spuren, invertierte F-Typ-Spuren, gewundene Spuren, kreisförmige Spuren oder gekrümmte Spuren mit Wellen. Die zweidimensionale Struktur der PCB-Antenne erfordert eine robuste Antennen-Designsoftware wie Altium Designer, um sicherzustellen, dass die Struktur den vom Hersteller vorgegebenen Spezifikationen entspricht.

Die beste PCB-Antennen-Simulationssoftware passt Innovation an die Anwendung an

Hersteller können PCB-Antennen als bereits gefertigte Komponenten anbieten, die Kabel und Anschlüsse enthalten. Mit der Vielzahl verfügbarer PCB-Antennenoptionen (z. B. BLE-Antennendesign, IoT-Antenne usw.) kann ein Team das Systemdesign ergänzen oder eine Antenne gemäß den elektrischen und mechanischen Anforderungen anpassen. PCB-Antennendesigns reichen von einfachen Mikrostreifen-Patches bis zu Kombinationen aus Mikrostreifen-Patches, Streifenleitungen und koplanaren Wellenleiter (CPW)-Übertragungsleitungen. Einige Designs können verschiedene Arten von Übertragungsleitungen innerhalb derselben PCB-Antenne kombinieren.

Die Wahl einer PCB-Antennen-Designsoftware hängt von der Anwendung ab. Eine drahtlose Maus benötigt nicht denselben RF-Bereich und Datenrate, die andere Anwendungen erfordern könnten. Sensoren und Geräte, die mit dem Internet der Dinge verbunden sind, benötigen größere RF-Bereiche und höhere Datenraten. Neuere PCB-Antennen-Designs bieten als Reaktion auf Systemanwendungen, die breitbandige Frequenzbereiche oder mehrere Anwendungen benötigen, die von derselben Antenne bedient werden, Dual-Band- und Mehrfrequenzband-Abdeckungen.

Aufgrund der Variation in RF-Bereichen haben Designs, die dieselben Leistungsanforderungen haben, oft unterschiedliche Layouts und wenden verschiedene Prinzipien für das Antennendesign an. Unabhängig von der Anwendung hat das Design der Antenne und das RF-Layout den größten Einfluss auf die Leistung. Darüber hinaus muss eine PCB-Antennen-Simulationssoftware Layout-Richtlinien für die RF-Leiterbahnen befolgen, sich an bewährte Praktiken im PCB-Stack-up und Erdung halten, die Entkopplung der Stromversorgung bereitstellen und aus den richtigen RF-Passivkomponenten bestehen. Unterschiede im Design und in den Produktanforderungen begründen die Notwendigkeit einer PCB-Antennen-Designsoftware.

Als Beispiel verwenden einige Hochfrequenzanwendungen, die keinen höheren Gewinn benötigen, Monopol-PCB-Antennen, die aus einem Mikrostreifen-Patch bestehen, der auf einer Seite eines Schaltungslaminats gebildet wird, getrennt von einer größeren Massefläche durch ein Dielektrikum. Andere Anwendungen benötigen möglicherweise einen höheren Gewinn bei bestimmten Frequenzen und verwenden Mehrschichtkonfigurationen. In beiden Fällen besteht eine direkte Beziehung zwischen der Wellenlänge der Zielbetriebsfrequenz und der Größe des Patches.

Das Design von PCB-Antennen erfordert einen grundlegenden Ansatz

Das Design von PCB-Antennen beginnt mit der Festlegung der wichtigsten Leistungsparameter. Diese Parameter umfassen

• Rückflussdämpfung
• Bandbreite
• Strahlungseffizienz
• Strahlungsdiagramm und
• Gewinn.

Jede Antenne muss mit einem Signalfeed übereinstimmen, der eine typische charakteristische Impedanz von 50 Ohm hat. Die Rückflussdämpfung einer Antenne zeigt die Qualität der Anpassung, indem sie die Menge der einfallenden Leistung (dB) anzeigt, die von der Antenne aufgrund einer Fehlanpassung reflektiert wird. Eine unendliche Rückflussdämpfung zeigt, dass die Antenne an den Signalfeed angepasst ist. Perfekte Antennendesigns strahlen alle Energie ohne jegliche Reflexion ab. Allgemein finden Designteams eine Rückflussdämpfung von 10 dB als ausreichend; 90 % der einfallenden Leistung gehen zur Antenne für die Strahlung.

Die Bandbreite einer Antenne misst die Frequenzantwort der Antenne. Um dies aus einer anderen Perspektive zu betrachten, misst die Bandbreite die Fähigkeit der Antenne, das Signalspeisen über den gesamten interessierenden Bandbereich anzupassen. Bei der Betrachtung von BLE-Antennendesign treten die größten Verluste bei 2,33 GHz und 2,55 GHz auf, während die geringsten Verluste und die beste Effizienz zwischen 2,40 GHz und 2,48 GHz liegen. Die meisten Verbrauchergeräte verwenden eine breitere Bandbreite, um die Auswirkungen der Verstimmung durch die Betriebsumgebung zu minimieren.

Die Strahlungseffizienz beschreibt die Menge der nicht reflektierten Leistung, die als Wärme oder thermischer Verlust in einer Antenne dissipiert wird. 100 Prozent Strahlungseffizienz zeigen, dass alle nicht reflektierte Leistung in den freien Raum abstrahlt. Bei PCB-Antennendesigns tritt der thermische Verlust durch den dielektrischen Verlust im FR4-Substrat und den Leiterverlust in den Leiterbahnen auf. PCB-Antennen mit kleinem Formfaktor haben den geringsten thermischen Verlust und die höchste Strahlungseffizienz.

Neben der Strahlungseffizienz haben Antennen eine spezifische Strahlungsleistung. Ideales Antennenverhalten strahlt Leistung gleichmäßig in alle Richtungen in der Ebene senkrecht zur Antennenachse ab. Die meisten PCB-Antennen haben eine ausgezeichnete – aber weniger als ideale – Strahlungseffizienz mit omnidirektionalen Mustern. Da das Strahlungsmuster die Richtungen zeigt, die die höchste und niedrigste Strahlung aufweisen, zeigt die Strahlungseffizienz, wie die Antenne für die Anwendung auszurichten ist. Der Gewinn (dBi) einer Antenne misst die Stärke der Strahlung in der interessierenden Richtung im Vergleich zum idealen Verhalten.

Zusammen mit der Beobachtung dieser Parameter erfordern PCB-Antennen die richtige Größe der Massefläche für eine optimale Leistung. Aus einer einfachen Designperspektive verhält sich die Antenne wie ein LC-Resonator. Die Resonanzfrequenz nimmt mit der Zunahme der Induktivität oder Kapazität ab. Größere Masseflächen erhöhen die Kapazität und verringern die Resonanzfrequenz. Eine bessere Erdung erreicht auch einen besseren Rückflussverlust. Die Festlegung der richtigen Masse ermöglicht dem PCB-Antennendesigner eine bessere Leistung.

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PCB-Antennendesign stellt Herausforderungen dar

Mehrere unterschiedliche Herausforderungen stehen Teams gegenüber, die hochleistungsfähige PCB-Antennen entwerfen möchten. Einige Anwendungen können mehrere Antennen sowohl auf der Sender- als auch auf der Empfängerseite verwenden, um die Leistung eines Antennensystems zu verbessern. Antennenelemente, die sich jedoch in unmittelbarer Nähe zueinander befinden, können beginnen, durch gegenseitige Kopplung miteinander zu interagieren. Jede Reaktion zwischen den Elementen beeinträchtigt die Fähigkeit des Arrays, eine gute Impedanzanpassung aufrechtzuerhalten und verschwendet Leistung. Darüber hinaus stört die elektromagnetische Kopplung das Strahlungsmuster der Antenne, hemmt den Gewinn und beeinflusst die Resonanzfrequenz.

Eine weitere Herausforderung besteht in der Auswirkung des Gehäuses auf die Antennenempfindlichkeit. Oft hat der für ein Gehäuse verwendete Kunststoff eine höhere Dielektrizitätskonstante als Luft. Der Mangel an ausreichendem Abstand zwischen der Antenne und dem Gehäuse verursacht, dass die Antenne eine höhere effektive Dielektrizitätskonstante wahrnimmt. Als Ergebnis erhöht sich die elektrische Länge der Antenne und die Resonanzfrequenz sinkt. Entwurfsteams sollten immer die Leistung des Antennenanpassungsnetzwerks mit dem endgültigen Kunststoffgehäuse an Ort und Stelle und dem Produkt in einem typischen Nutzungsszenario überprüfen.

Bei hohen Frequenzen ändert sich die Impedanz eines RF-Kreises, wenn sie in unterschiedlichen Abständen von der Last gemessen wird. Die Breite und Dicke der RF-Leiterbahn, der Abstand zwischen der Leiterbahn und dem Boden sowie der Substrattyp beeinflussen ebenfalls das Ausmaß der Impedanzänderung. In einem PCB-Antennendesign fungieren Koaxialkabel, Mikrostreifenleitungen und koplanare Wellenleiter als Übertragungsleitungen. Übliche Praktiken beinhalten die Verwendung eines passiven Schaltkreises als Anpassungsnetzwerk, um die charakteristische Impedanz der RF-Leiterbahn zu transformieren und den maximalen Leistungstransfer zwischen den angepassten Quellen- und Lastimpedanzen sicherzustellen.

Die Verwendung von Hochgeschwindigkeitsschaltkreisen in elektronischen Produkten, die PCB-Antennen nutzen, erhöht das Risiko elektromagnetischer Störungen und abgestrahlter Emissionen. Gleichzeitiges Schaltrauschen (SSN), verursacht durch die Verkleinerung von integrierten Schaltkreisen und die erhöhten Taktfrequenzen von Mikroprozessoren, führt zu Selbststörungen – oder der Einführung von Signalen, die das Signal-Rausch-Verhältnis negativ beeinflussen und das von einer Antenne übertragene Signal verzerren. Auf die gleiche Weise kann die Antenne Selbststörungen entlang ihrer Übertragungsleitungen verursachen und Signale im gesamten PCB verschlechtern.

Was bietet gute Antennendesign-Software?

PCB-Antennendesign-Software analysiert genau die Filter, Mikrostreifenleitungen und passiven Komponenten, die eine PCB-Antenne ausmachen. Die Software unterstützt auch beim PCB-Antennendesign, indem sie Metall-Dielektrikum-Schichten, Speisungen und Steckertypen anzeigt. Um modernen Designanforderungen gerecht zu werden, bietet PCB-Antennen-Simulationssoftware die geometrischen und elektrischen Eigenschaften der Antenne für eine optimale Leistung. Die Festlegung dieser Eigenschaften ermöglicht es der Software, die korrekte Antennenimpedanz und das Strahlungsmuster zu modellieren.

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Analyse und Simulation sind nur Teile des Designprozesses

Altium Designer löst Herausforderungen bei Leiterplattenantennen

Altium Designer bietet den Schaltplan-Editor, den PCB-Editor und Werkzeuge zur Signalintegritätsanalyse für die Steuerung und Anpassung von Impedanzen, die für eine konsistente Leistung der PCB-Antenne benötigt werden. Der Schaltplan-Editor und der PCB-Editor stellen sicher, dass die Impedanzanpassung vom Ausgangspin zum Ziel-Eingangspin erfolgt. Darüber hinaus schlagen die Editoren die Hinzufügung von Abschlusskomponenten vor, um eine Anpassung im gesamten Schaltkreis zu erreichen, sowie Entkopplungskondensatoren oder Materialien, die verwendet werden, um die gegenseitige Kopplung zwischen PCB-Antennen zu verhindern. Teams können die richtigen Komponenten für die Unterstützung eines Designs wie ein BLE-Antennendesign durch Datenbankbibliotheken oder den Altium Vault finden.

Signal Integrity Analysewerkzeuge in Altium Designer identifizieren alle Netze, die inakzeptable Reflexionsniveaus aufweisen könnten. Die Werkzeuge sagen auch potenzielle Reflexions- und Übersprechenniveaus voraus und bieten eine What-if-Analyse potenzieller Abschlusskomponenten. Die Kombination aus den Editoren, Designregeln und Active Route stellt sicher, dass der korrekte Routingpfad für das Signal erfolgt und dass ein ununterbrochener Pfad für den Rückstrom unter der Signalleitung existiert. Mit diesen Techniken verhindert Altium Designer EMI und bietet das beste Design für optimale Leistung des PCB-Antennendesigns.

Während das Platzieren von Abschirmungen auf Uhren, Mikrocontrollern und Schaltnetzteilen eine Lösung zur Eliminierung von EMI bietet, wird jede Abschirmung übertragene Signale blockieren und sollte das PCB-Antennendesign nicht abdecken. Altium Designer kann mit einer Kombination aus Designregeln für das Routing und seiner Active Route Funktion vor Selbststörungen schützen. Die Ausgangssignale der Uhr sollten über die Massefläche laufen, um jeden durch streunende RF-Felder induzierten Strom zu reduzieren und Schleifenflächen zu minimieren. Altium Designer hilft auch dabei, netzartige PCB-Antennen, die Selbststörungen verursachen können, durch die optimale Platzierung von Masseflächen zu eliminieren. Jede direkt unter der Uhr platzierte Massefläche bildet eine netzartige Antenne.

Altiums Layer Stack Manager definiert die in einem Leiterplattendesign verwendeten Schichten und bestimmt die Arten von Schichten, die im Stapel enthalten sind. Beim Entwerfen einer PCB-Antenne können Teams den Layer Stack Manager verwenden, um für jede Schicht den Typ des Materials, die Dicke und die dielektrische Konstante festzulegen. Altium Designer beinhaltet auch die Option Charakteristische Impedanzgesteuerte Breite in der Designregel für die Leiterbahnbreite. Die Option wendet eine branchenübliche Gleichung an, um die Impedanz in eine Breiteneinstellung zu übersetzen.

Altium Designer bietet außerdem 3D-PCB-Layoutwerkzeuge, die es Teams ermöglichen, die Auswirkungen von mechanischen Daten auf die PCB-Antenne zu sehen. Designteams können das Komponentenmodell in den Bibliothekseditor importieren und das Gehäuse in den PCB-Editor, um genaue Kollisionstests durchzuführen. Da Altium Designer die Zusammenarbeit zwischen ECAD und MCAD ermöglicht, erlaubt die Software Teams, mit externen physischen Einschränkungen zu arbeiten und die passende Platinenform auszuwählen. Mit diesen Werkzeugen können Designteams die notwendigen Anpassungen für Schaltkreise und Gehäuse vornehmen, um sicherzustellen, dass das Plastik die dielektrische Konstante nicht beeinflusst.

Altiums einheitliche Designumgebung erleichtert das Design von PCB-Antennen

Während viele PCB-Antennensimulationssoftwareanwendungen die benötigten Werkzeuge bereitstellen, vereint Altium Designer Schaltplan- und Leiterplattenwerkzeuge in einer Umgebung. Leistungsstarke Designwerkzeuge wie der Layer Stack Manager und Werkzeuge zur Signalintegritätsanalyse reagieren auf dieselben Menüs, Befehle und Funktionstasten. Die vollständige Suite von Werkzeugen, die in Altiums einheitlicher Designumgebung gefunden werden, bewegt Konzepte vom Schaltplan über das PCB-Layout bis hin zur Design-Dokumentation und zur Fertigung und Produktion.

• Erfahren Sie mehr über Layer-Stack-Definitionen für Ihre Leiterplatten in Altium Designer.
• Erfahren Sie mehr über das interaktive Routing in Altium Designer.
• Erfahren Sie mehr über die intelligente Bauteilplatzierung in Altium Designer.

Seien Sie sicher in Ihren Designs, egal um was es geht.

Die innovative Software von Altium Designer ist in der Lage, jegliche Ihrer potenziellen Designanforderungen zu erfüllen und zu übertreffen, einschließlich BLE-Antennendesign, medizinische Geräte, IoT-Designs usw. Geben Sie Ihren Leiterplatten die Sicherheit, auf die präziseste und stabilste Weise zur Produktion übergehen zu können. Vertrauen Sie darauf, dass Altium Designer Ihre Elektronikprojekte richtig umsetzt.