Dual-Band-PCB-Antennendesign: So halten Sie Ihre EMI im Griff

Wenn Sie in den 1980er Jahren oder früher geboren wurden, erinnern Sie sich wahrscheinlich an diese alten, klobigen Mobiltelefone und ihre riesigen Antennen. Springen wir in die Gegenwart, bemerken die meisten Menschen nicht einmal, dass ihre Smartphones Antennen haben. Vorgeschlagene Antennendesigns haben seit den 80ern einen langen Weg zurückgelegt, und neue Antennen können in mehr als einem Frequenzband senden und empfangen.

Während die Mobil- und IoT-Industrie weiter voranschreitet, setzen elektronische Geräte weiterhin auf drahtlose Kommunikationsprotokolle, um Daten zu senden und zu empfangen. Diese Geräte müssen in mehreren Frequenzbändern kommunizieren können, um ihre Aufgaben zu erfüllen, und neue Antennendesigns werden weiterhin auf Leiterplatten (PCBs) erscheinen. Dualband-Antennen integrieren zwei Antennen in einem einzigen Modul und helfen Ihnen, wertvollen Platz in Ihrem PCB-Layout zu sparen.

Dualband-Antennen in Ihrer PCB

Eine Dualband-Antenne ist eine Antenne, die in zwei verschiedenen Frequenzbändern senden und empfangen kann. Diese Antennen können auf diesen verschiedenen Frequenzen individuell oder gleichzeitig betrieben werden, abhängig von den Fähigkeiten der einzelnen Antenne. Standard omnidirektionale Antennendesigns, wie eine Monopol-, Dipol- oder Schlitzantenne, können modifiziert werden, um eine Dualband-Emission zu zeigen.

PCB mit einem Dipolantennenmodul

Dual-Band-Antennen auf PCBs, die bei 2,4 GHz und 5,8 GHz arbeiten können, sind bereits verfügbar. Diese Art von Antenne ermöglicht es einem Gerät, gemäß verschiedenen IEEE-Standards zu funktionieren und erweitert seinen Kommunikationsbereich über WiFi hinaus. Einige Mobiltelefone nutzen eine Dual-Band-Kommunikation, die unabhängig von WiFi ist.

Anstatt ein Antennenmodul von der Stange zu wählen, kann eine Dual-Band-Antenne leicht in Ihr Gerät integriert werden. Eine integrierte Antenne kann direkt auf die PCB gedruckt werden und hat im Vergleich zu einem externen Antennenmodul niedrigere Herstellungs- und Montagekosten. Da externe Dual-Band-Antennenmodule auf ihren eigenen PCBs gedruckt werden, kann das Entwerfen und Drucken Ihrer eigenen integrierten Antenne dabei helfen, einen kleineren Formfaktor beizubehalten.

Wenn das Entwerfen einer gedruckten Antenne nicht Ihr Ding ist, bietet sich als eine andere Option, die einen kleinen Formfaktor beibehält, die Verwendung einer keramischen Chip-Dual-Band-Antenne in Ihrem Layout an. Diese Chips sind kostengünstig und es sind viele Frequenzoptionen verfügbar. Sie sind auch bei 50 Ohm impedanzabgestimmt, erfüllen Industriestandards und haben einen hohen linearen Gewinn.

Gedruckte Dual-Band-Antenne

Das Drucken einer Dualband-Antenne direkt auf Ihrer Leiterplatte kann herausfordernd sein, und es gibt eine Reihe von Designaspekten, die berücksichtigt werden sollten. Jedes Gerät mit hoher Datenübertragungsrate muss den Standard-High-Speed-Designrichtlinien folgen.

Wenn Ihr Gerät über einen weiten Temperaturbereich betrieben wird, kann die Volumenexpansion/-kontraktion eine Änderung der Resonanzfrequenz der Antenne verursachen. Dies ändert die übertragene oder empfangene Leistung bei der beabsichtigten Trägerfrequenz.

Wenn Sie ein Metall verwenden, das einen kleinen thermischen Ausdehnungskoeffizienten hat, können Sie Volumenänderungen minimieren. Es ist wichtig, den thermischen Koeffizienten Ihres Metalls und Ihrer Leiterbahnen an das des Platinenmaterials anzupassen. Eine große Unstimmigkeit kann bei extremen Temperaturen zu Delamination oder Bruch führen.

Sobald Sie sich für eine Geometrie entschieden und Ihr Design geplant haben, müssen Sie die Impedanz angleichen. Die meisten kommerziell erhältlichen Antennen sind bereits auf eine Impedanz von 50 Ohm bei 2,4 GHz abgestimmt, und Sie müssen dasselbe mit Ihrer benutzerdefinierten Antenne tun. Jede Impedanzinkongruenz zwischen der Antenne und ihrem Treiber/Empfänger kann mit zwei Induktoren und zwei Kondensatoren kompensiert werden.

Ein grundlegendes Verständnis eines Smith-Diagramms ist für die Impedanzanpassung von Antennen erforderlich. Kurz gesagt, ein Smith-Diagramm hilft dabei, die genaue Impedanzinkongruenz zwischen einer Antenne und einer Last zu visualisieren. Die Platzierung des Induktors und des Kondensators hängt von der genauen Inkongruenz zwischen der Antennen- und Lastimpedanz ab.

Ein Kondensator-/Induktor-Paar wird in Serie mit der Antenne oder Last geschaltet, und das andere Paar wird als Shunt-Elemente platziert. Die Impedanzanpassung eines Bandes beeinflusst die Anpassung des anderen Bandes, daher kann jedes Band nicht sequenziell in seiner Impedanz angepasst werden. Das Platzieren Ihrer Serien- und Shunt-Elemente erfordert etwas Ausprobieren und ein wenig Erfahrung.

Wenn du sagst, du bist im Herzen ein Kind, hoffe ich, dass sich das nicht auf deine PCB-Designs überträgt

Self-Jamming EMI

Wenn Maßnahmen zur EMI-Kontrolle in deinem PCB nicht implementiert werden, kann deine Antenne Selbststörungen verursachen. Selbststörungen treten auf, wenn ein strahlendes Element (wie ein strahlender Oszillator) irgendwo im Schaltkreis ein Signal induziert. Dies verschlechtert das Signal-Rausch-Verhältnis und kann das von einer sendenden Antenne gesendete Signal verzerren. Dies wurde zuerst in der FM-Radio-Community als „Selbstberuhigung“ bezeichnet und war in jüngerer Zeit ein ernstes Problem bei RFID-Chips.

Elektronische Komponenten auf Ihrer Leiterplatte, wie Uhren, Mikrocontroller und Schaltnetzteile, können Selbststörungen in Ihrer Leiterplatte verursachen und ein oder beide der von Ihrer Dualband-Antenne gesendeten und empfangenen Signale verschlechtern. Höhere Harmonische in einer dieser Komponenten können unerwünschte Emissionen erzeugen, die das Antennensignal stören. Ebenso kann Ihre Antenne Selbststörungen in diesen Komponenten verursachen und Signale verschlechtern im Rest Ihrer Leiterplatte.

Je nach Anordnung der Komponenten auf Ihrer Leiterplatte kann Abschirmung eine Option sein, um Selbststörungen zu verhindern. Achten Sie darauf, die Antenne selbst nicht abzuschirmen, da gesendete Signale durch die Abschirmung blockiert werden und ihr Ziel nie erreichen. Wenn es Ihr Formfaktor zulässt, können kritische Komponenten wie Mikrocontroller und die Elektronik, die Ihre Antenne unterstützt, abgeschirmt werden, während Ihre Antenne auf derselben Platine ungeschirmt bleibt.

Das Anbringen von Abschirmungen ist möglicherweise nicht für alle Designs geeignet, insbesondere wenn das Layout sehr kompliziert ist. Wenn das Design durch den Formfaktor eingeschränkt ist, gibt es eine Reihe von Designpraktiken, die helfen können, die Anfälligkeit für Selbststörungen und für EMI im Allgemeinen zu reduzieren.

Von besonderer Bedeutung ist die Platzierung Ihrer Uhr und deren Massefläche. Es ist wichtig, Ausgangsleitungen von Ihrer Uhr über deren Massefläche zu führen, um die Schleifenfläche zu minimieren, da dies jeglichen Strom, der durch streunende RF-Felder induziert wird, reduziert. Die Massefläche sollte jedoch nicht direkt unter der Uhr selbst platziert werden, da dies eine zentral gespeiste Patch-Antenne bildet. Solche Netzantennen zu eliminieren, ist einer der besten Wege, um Selbststörungen zu verhindern.

Mit fortschrittlicher Funktionalität und einer umfangreichen Komponentenbibliothek, die es Ihnen ermöglicht, Dual-Band-Antennen in Ihrem PCB-Design zu implementieren, kann Altium Designer Ihr Design fördern. Es verfügt auch über hervorragende CAD-Tools, die es Ihnen ermöglichen, Ihre eigene Dual-Band-Antenne zu entwerfen.

Wenn Sie mehr darüber erfahren möchten, wie man mit Dual-Band-Antennen entwirft, sprechen Sie noch heute mit einem Altium Designer Experten.