El mejor software de diseño de antenas PCB facilita la implementación de antenas

El diseño de antenas en placas de circuito puede ser una tarea difícil para cualquier software; sin embargo, eso no debería ser un problema para Altium Designer, que puede servir como su software de diseño de antenas BLE de referencia y mucho más.

ALTIUM DESIGNER

Asegurando que sus diseños de antenas se coloquen sin problemas

La demanda de los consumidores y la industria ha impulsado la demanda de dispositivos inalámbricos más pequeños. Los dispositivos soportan tecnologías portables, aplicaciones de Bluetooth de Baja Energía (BLE), sistemas de comunicación personal, aplicaciones del Internet de las Cosas (IoT), tecnologías médicas, sistemas avanzados de asistencia al conductor en automoción y otras tecnologías innovadoras. Cada una de estas y otras aplicaciones requieren antenas PCB que reduzcan la huella física y el costo mientras mantienen el rendimiento. Además, los diseños de antenas PCB también deben responder a requisitos de frecuencia que van desde la banda típica de 2.4 GHz hasta frecuencias de onda milimétrica.

En lugar de utilizar un alambre tridimensional que se extiende sobre el PCB o una antena de chip, un software de diseño de antenas PCB consiste en un trazo dibujado en una Placa de Circuito Impreso. Dependiendo del tipo de antena y las restricciones de espacio, los tipos de trazos utilizados para el diseñador de antenas PCB incluyen trazos rectos, trazos tipo F invertido, trazos serpenteantes, trazos circulares o trazos curvos que tienen zigzags. La estructura bidimensional de la antena PCB requiere un software de diseño de antenas robusto como Altium Designer para asegurar que la estructura cumpla con las especificaciones dadas por el fabricante.

El Mejor Software de Simulación de Antenas PCB Iguala la Innovación con la Aplicación

Los fabricantes pueden ofrecer antenas PCB como componentes ya fabricados que incluyen cables y conectores. Con la variedad de opciones de antenas PCB disponibles (por ejemplo, diseño de antena BLE, antena IoT, etc.), un equipo puede agregar al diseño del sistema o personalizar una antena de acuerdo con los requisitos eléctricos y mecánicos. Los diseños de antenas PCB varían desde parches microstrip básicos hasta combinaciones de parches microstrip, líneas de tira y líneas de transmisión de guía de onda coplanar (CPW). Algunos diseños pueden combinar diferentes tipos de líneas de transmisión dentro de la misma antena PCB.

La elección de un software de diseño de antenas PCB depende de la aplicación. Un ratón inalámbrico no necesita el mismo alcance RF ni la misma tasa de datos que otras aplicaciones pueden requerir. Sensores y dispositivos conectados a Internet de las Cosas requieren mayores rangos RF y tasas de datos más altas. Los nuevos diseños de antenas PCB presentan cobertura de banda dual y de múltiples bandas de frecuencia como respuesta a aplicaciones de sistemas que requieren rangos de frecuencia de banda ancha o múltiples aplicaciones servidas por la misma antena.

Debido a la variación en los rangos RF, los diseños que tienen los mismos requisitos de potencia a menudo tienen diferentes disposiciones y aplican diferentes principios para el diseño de antenas. Independientemente de la aplicación, el diseño de la antena y la disposición RF tienen el mayor impacto en el rendimiento. Además, un software de simulación de antenas PCB debe seguir las pautas de diseño para las trazas RF, adherirse a las mejores prácticas en el apilado de PCB y la conexión a tierra, proporcionar desacoplamiento de la fuente de alimentación y estar compuesto por los componentes pasivos RF adecuados. Las diferencias en el diseño y los requisitos del producto establecen la necesidad de un software de diseño de antenas PCB.

Como ejemplo, algunas aplicaciones de alta frecuencia que no requieren mayor ganancia utilizan antenas PCB monopolo que consisten en un parche de microstrip formado en un lado de un laminado de circuito separado de un plano de tierra más grande por un dieléctrico. Otras aplicaciones pueden requerir una mayor ganancia en ciertas frecuencias y utilizan configuraciones de múltiples capas. En cualquier caso, la longitud de onda de la frecuencia de operación objetivo tiene una relación directa con el tamaño del parche.

El diseño de antenas PCB requiere un enfoque fundamental

El diseño de antenas PCB comienza con el establecimiento de parámetros clave de rendimiento. Estos parámetros incluyen

• Pérdida de retorno
• Ancho de banda
• Eficiencia de radiación
• Patrón de radiación, y
• Ganancia.

Toda antena debe coincidir con una alimentación de señal que tiene una impedancia característica típica de 50 ohmios. La pérdida de retorno de una antena indica la calidad de la coincidencia mostrando la cantidad de potencia incidente (dB) reflejada por la antena debido a un desajuste. Una pérdida de retorno infinita muestra que la antena coincide con la alimentación de señal. Los diseños de antenas perfectos irradian toda la energía sin ninguna reflexión. Generalmente, los equipos de diseño encuentran suficiente una pérdida de retorno de 10 dB; el 90 % de la potencia incidente va a la antena para radiación.

El ancho de banda de una antena mide la respuesta de frecuencia de la antena. Para poner esto en una perspectiva diferente, el ancho de banda mide la capacidad de la antena para coincidir con la alimentación de señal a lo largo de toda la banda de interés. Al considerar el diseño de antenas BLE, las mayores pérdidas ocurren a 2.33 GHz y 2.55 GHz mientras que las pérdidas más bajas y la mejor eficiencia ocurren entre 2.40 GHz y 2.48 GHz. La mayoría de los dispositivos de consumo utilizan un ancho de banda más amplio para minimizar el efecto de desintonización causado por el entorno operativo.

La eficiencia de radiación describe la cantidad de potencia no reflejada disipada como calor o pérdida térmica en una antena. Una eficiencia de radiación del 100 por ciento muestra que toda la potencia no reflejada irradia al espacio libre. En los diseños de antenas PCB, la pérdida térmica ocurre a través de la pérdida dieléctrica en el sustrato FR4 y la pérdida de conductor en las pistas. Las antenas PCB de factor de forma pequeño tienen la pérdida térmica más baja y la mayor eficiencia de radiación.

Junto con la eficiencia de radiación, las antenas tienen una potencia de radiación específica. El comportamiento ideal de una antena irradia potencia de manera igual en todas las direcciones en el plano perpendicular al eje de la antena. La mayoría de las antenas de PCB tienen una eficiencia de radiación excelente, aunque menos que ideal, con patrones omnidireccionales. Dado que el patrón de radiación muestra las direcciones que tienen la mayor y menor radiación, la eficiencia de radiación indica cómo orientar la antena para la aplicación. La ganancia (dBi) de una antena mide la fuerza de la radiación en la dirección de interés en comparación con el comportamiento ideal.

Junto con la observación de esos parámetros, las antenas de PCB requieren un plano de tierra de tamaño adecuado para un rendimiento óptimo. Desde una perspectiva de diseño simple, la antena se comporta como un resonador LC. La frecuencia resonante disminuye con el aumento de la inductancia o la capacitancia. Los planos de tierra más grandes aumentan la capacitancia y disminuyen la frecuencia resonante. Una mejor conexión a tierra también logra una mejor pérdida de retorno. Establecer el plano de tierra correcto permite al diseñador de antenas de PCB tener un mejor rendimiento.

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El Diseño de Antenas PCB Presenta Desafíos

Varios desafíos diferentes enfrentan a los equipos que buscan diseñar antenas PCB de alto rendimiento. Algunas aplicaciones pueden usar múltiples antenas tanto en el lado del transmisor como del receptor para mejorar el rendimiento de un sistema de antenas. Sin embargo, los elementos de la antena que tienen proximidad cercana entre sí pueden comenzar a interactuar con acoplamiento mutuo. Cada reacción entre elementos afecta la capacidad del arreglo para mantener una buena adaptación de impedancia y desperdicia energía. Además, el acoplamiento electromagnético perturba el patrón de radiación de la antena, inhibe la ganancia y afecta la frecuencia resonante.

Otro desafío involucra el efecto del recinto en la sensibilidad de la antena. Muchas veces, el plástico utilizado para un recinto tendrá una constante dieléctrica más alta que el aire. La falta de suficiente espacio libre entre la antena y el recinto hace que la antena vea una constante dieléctrica efectiva más alta. Como resultado, la longitud eléctrica de la antena aumenta y la frecuencia resonante disminuye. Los equipos de diseño siempre deben verificar el rendimiento de la red de adaptación de la antena con el recinto plástico final en su lugar y el producto instalado en un escenario de uso típico.

A altas frecuencias, la impedancia de un circuito RF cambia cuando se mide a diferentes distancias de la carga. El ancho y grosor del trazo RF, la separación entre el trazo y tierra junto con el tipo de sustrato también afectan la cantidad de cambio de impedancia. En un diseño de antena PCB, los cables coaxiales, líneas microstrip y guías de onda coplanares funcionan como líneas de transmisión. Las prácticas comunes involucran el uso de un circuito pasivo como una red de adaptación para transformar la impedancia característica del trazo RF y asegurar la máxima transferencia de potencia entre las impedancias de fuente y carga coincidentes.

El uso de circuitos de alta velocidad dentro de productos electrónicos que utilizan antenas PCB aumenta el riesgo de interferencia electromagnética y emisiones radiadas. El Ruido de Conmutación Simultánea (SSN) causado por la miniaturización de circuitos integrados y el aumento de las frecuencias de reloj de los microprocesadores resulta en auto-interferencia—o la introducción de señales que afectan negativamente la relación señal-ruido y distorsionan la señal transmitida por una antena. De la misma manera, la antena puede causar auto-interferencia a lo largo de sus líneas de transmisión y degradar señales a través del PCB.

¿Qué Ofrece un Buen Software de Diseño de Antenas?

El software de diseño de antenas PCB analiza con precisión los filtros, líneas microstrip y componentes pasivos que conforman una antena PCB. El software también asiste en el diseño de antenas PCB mostrando las capas metal-dieléctricas, alimentaciones y tipos de conectores. Para cumplir con los requisitos de diseño modernos, el software de simulación de antenas PCB proporciona las propiedades geométricas y eléctricas de la antena para un rendimiento óptimo. Establecer estas propiedades permite al software modelar la impedancia correcta de la antena y el patrón de radiación.

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El análisis y la simulación son solo partes del proceso de diseño

Altium Designer Resuelve los Desafíos de Antenas en Circuitos Impresos

Altium Designer proporciona el Editor de Esquemáticos, el Editor de PCB y herramientas de análisis de integridad de señal para controlar y coincidir las impedancias necesarias para un rendimiento consistente de la antena PCB. El Editor de Esquemáticos y el Editor de PCB aseguran que la coincidencia de impedancias ocurra desde el pin de salida hasta el pin de entrada objetivo. Además, los Editores sugieren la adición de componentes de terminación para lograr la coincidencia a lo largo del circuito y capacitores de desacoplamiento o materiales utilizados para prevenir el acoplamiento mutuo entre antenas PCB. Los equipos pueden encontrar los componentes correctos para soportar algo como un diseño de antena BLE a través de bibliotecas de base de datos o el Altium Vault.

Las herramientas de Análisis de Integridad de Señal en Altium Designer identifican cualquier red que podría tener niveles inaceptables de reflexión. Las herramientas también predicen los niveles potenciales de reflexión de señal y diafonía, al tiempo que proporcionan un análisis de qué pasaría si se utilizan componentes de terminación potenciales. La combinación de los Editores, Reglas de Diseño y Active Route asegura que el camino de enrutamiento correcto para la señal ocurra y que exista un camino ininterrumpido para la corriente de retorno bajo la ruta de la señal. Con estas técnicas, Altium Designer previene la EMI y proporciona el mejor diseño para un rendimiento óptimo del diseño de antenas PCB.

Mientras que colocar blindajes en relojes, microcontroladores y fuentes de alimentación conmutadas ofrece una solución para eliminar la EMI, cualquier blindaje bloqueará las señales transmitidas y no debería cubrir el diseño de la antena PCB. Altium Designer puede proteger contra la autointerferencia con una combinación de reglas de diseño para el enrutamiento y su función Active Route. Las trazas de salida del reloj deberían correr sobre el plano de tierra para reducir cualquier corriente inducida por campos RF dispersos y minimizar las áreas de bucle. Altium Designer también ayuda a eliminar las antenas PCB netas que pueden causar autointerferencia mediante la colocación óptima de planos de tierra. Cualquier plano de tierra colocado directamente debajo del reloj forma una antena neta.

El Administrador de Capas de Altium define las capas utilizadas en el diseño de una Tarjeta de Circuito Impreso y gobierna los tipos de capas incluidas en el conjunto. Al diseñar una antena PCB, los equipos pueden usar el Administrador de Capas para especificar cada capa por el tipo de material, el grosor y la constante dieléctrica. Altium Designer también incluye la opción de Ancho Impulsado por Impedancia Característica en la regla de diseño de Ancho de Enrutamiento. La opción aplica una ecuación estándar de la industria para traducir la impedancia en una configuración de ancho.

Altium Designer también proporciona herramientas de diseño de PCB en 3D que permiten a los equipos ver el impacto de los datos mecánicos en la antena PCB. Los equipos de diseño pueden importar el modelo del componente al editor de bibliotecas y la carcasa al Editor de PCB para realizar pruebas de colisión precisas. Dado que Altium Designer permite la colaboración entre ECAD y MCAD, el software permite a los equipos trabajar con restricciones físicas externas y seleccionar la forma de la tarjeta adecuada. Con estas herramientas, los equipos de diseño realizan los ajustes necesarios para los circuitos y las carcasas para asegurar que el plástico no afecte la constante dieléctrica.

El Entorno de Diseño Unificado de Altium Facilita el Diseño de Antenas PCB

Mientras que muchas aplicaciones de software de simulación de antenas PCB proporcionan las herramientas necesarias, Altium Designer coloca las herramientas de esquemático y de Placa de Circuito en un mismo entorno. Herramientas de diseño poderosas como el Gestor de Capas y las herramientas de Análisis de Integridad de Señal responden a los mismos menús, comandos y teclas de función. El conjunto completo de herramientas encontrado dentro del entorno de diseño unificado de Altium mueve los conceptos desde el esquemático hasta el diseño de la PCB, la documentación de diseño y hasta la fabricación y producción.

• Aprende sobre las definiciones de capas para tus placas de circuito en Altium Designer.
• Aprende sobre el enrutamiento interactivo de Altium Designer.
• Aprende sobre la colocación inteligente de componentes de Altium Designer.

Siéntete seguro en tus diseños, sin importar cuáles sean.

El software innovador de Altium Designer es capaz de lograr y superar cualquiera de tus necesidades de diseño potenciales, incluyendo diseño de antenas BLE, dispositivos médicos, diseños IoT, etc. Dale a tus placas de circuito la seguridad de ser transferidas a la producción de la manera más precisa y estable. Confía en Altium Designer para hacer tus electrónicos correctamente.