Le meilleur logiciel de conception d'antenne PCB facilite la mise en œuvre de l'antenne

La conception d'antennes sur circuit imprimé peut être une tâche difficile pour n'importe quel logiciel ; cependant, cela ne devrait pas être un problème pour Altium Designer, qui peut servir de logiciel de référence pour la conception d'antennes BLE et bien plus encore.

ALTIUM DESIGNER

Assurer que vos conceptions d'antennes sont placées sans problème

La demande des consommateurs et industrielle a stimulé la demande pour des dispositifs sans fil plus petits. Ces dispositifs soutiennent les technologies portables, les applications Bluetooth Low Energy (BLE), les systèmes de communication personnelle, les applications de l'Internet des Objets (IoT), les technologies médicales, les systèmes d'assistance à la conduite avancée automobile, et d'autres technologies innovantes. Chacune de ces applications et d'autres nécessitent des antennes PCB qui réduisent l'empreinte physique et le coût tout en maintenant la performance. De plus, les conceptions d'antennes PCB doivent également répondre aux exigences de fréquence qui vont de la bande typique de 2,4 GHz aux fréquences en ondes millimétriques.

Au lieu d'utiliser un fil tridimensionnel qui s'étend sur le PCB ou une antenne à puce, un logiciel de conception d'antenne PCB consiste en une trace dessinée sur un Circuit Imprimé. Selon le type d'antenne et les contraintes d'espace, les types de traces utilisées pour le concepteur d'antenne PCB incluent des traces droites, des traces de type F inversé, des traces sinueuses, des traces circulaires ou des traces courbées qui présentent des zigzags. La structure bidimensionnelle de l'antenne PCB nécessite un logiciel de conception d'antenne robuste tel que Altium Designer pour garantir que la structure répond aux spécifications données par le fabricant.

Le meilleur logiciel de simulation d'antenne PCB associe l'innovation à l'application

Les fabricants peuvent proposer des antennes PCB comme composants déjà fabriqués incluant câbles et connecteurs. Avec la gamme d'options d'antennes PCB disponibles (par ex. conception d'antenne BLE, antenne IoT, etc.), une équipe peut ajouter au design du système ou personnaliser une antenne selon les exigences électriques et mécaniques. Les conceptions d'antennes PCB vont de simples plaques microstrip à des combinaisons de plaques microstrip, de lignes de transmission à ruban et de guides d'ondes coplanaires (CPW). Certaines conceptions peuvent combiner différents types de lignes de transmission au sein de la même antenne PCB.

Le choix d'un logiciel de conception d'antenne PCB dépend de l'application. Une souris sans fil n'a pas besoin de la même portée RF et du même débit de données que d'autres applications peuvent exiger. Les capteurs et dispositifs connectés à l'Internet des Objets nécessitent des portées RF plus importantes et des débits de données plus élevés. Les nouvelles conceptions d'antennes PCB proposent une couverture bi-bande et multi-fréquences en réponse aux applications systèmes qui nécessitent des gammes de fréquences large bande ou plusieurs applications desservies par la même antenne.

En raison de la variation des portées RF, les conceptions qui ont les mêmes besoins en puissance ont souvent des agencements différents et appliquent différents principes pour la conception d'antenne. Indépendamment de l'application, la conception de l'antenne et l'agencement RF ont le plus grand impact sur la performance. De plus, un logiciel de simulation d'antenne PCB doit suivre les directives de disposition pour les traces RF, adhérer aux meilleures pratiques en matière de superposition de PCB et de mise à la terre, fournir un découplage de l'alimentation électrique, et être composé des composants passifs RF appropriés. Les différences dans la conception et les exigences du produit établissent le besoin d'un logiciel de conception d'antenne PCB.

À titre d'exemple, certaines applications haute fréquence qui ne nécessitent pas un gain élevé utilisent des antennes PCB monopôles composées d'un patch microstrip formé sur un côté d'un stratifié de circuit séparé d'un plan de masse plus large par un diélectrique. D'autres applications peuvent nécessiter un gain plus élevé à certaines fréquences et utilisent des configurations multicouches. Dans les deux cas, la longueur d'onde de la fréquence de fonctionnement cible a une relation directe avec la taille du patch.

La conception d'antenne PCB nécessite une approche fondamentale

La conception d'antenne PCB commence par l'établissement des principaux paramètres de performance. Ces paramètres comprennent

• la perte de retour
• la bande passante
• l'efficacité de rayonnement
• le motif de rayonnement, et
• le gain.

Chaque antenne doit correspondre à une alimentation de signal qui a une impédance caractéristique typique de 50 ohms. La perte de retour d'une antenne indique la qualité de l'adaptation en montrant la quantité de puissance incidente (dB) reflétée par l'antenne en raison d'un désaccord. Une perte de retour infinie indique que l'antenne correspond à l'alimentation de signal. Les conceptions d'antennes parfaites rayonnent toute l'énergie sans aucune réflexion. Généralement, les équipes de conception trouvent qu'une perte de retour de 10 dB est suffisante ; 90 % de la puissance incidente va à l'antenne pour le rayonnement.

La bande passante d'une antenne mesure la réponse en fréquence de l'antenne. Pour mettre cela dans une perspective différente, la bande passante mesure la capacité de l'antenne à correspondre à l'alimentation du signal sur toute la bande d'intérêt. Lors de la prise en compte de la conception d'antenne BLE, les pertes les plus importantes se produisent à 2,33 GHz et 2,55 GHz tandis que les pertes les plus faibles et la meilleure efficacité se situent entre 2,40 GHz et 2,48 GHz. La plupart des appareils grand public utilisent une bande passante plus large pour minimiser l'effet de désaccord causé par l'environnement d'exploitation.

L'efficacité de rayonnement décrit la quantité de puissance non réfléchie dissipée sous forme de chaleur ou de perte thermique dans une antenne. Une efficacité de rayonnement de 100 pour cent montre que toute la puissance non réfléchie rayonne dans l'espace libre. Dans les conceptions d'antennes PCB, la perte thermique se produit par la perte diélectrique dans le substrat FR4 et la perte de conducteur dans les pistes. Les antennes PCB de petit format ont la perte thermique la plus faible et la plus haute efficacité de rayonnement.

En plus de l'efficacité de rayonnement, les antennes possèdent une puissance de rayonnement spécifique. Le comportement idéal d'une antenne est de rayonner la puissance également dans toutes les directions dans le plan perpendiculaire à l'axe de l'antenne. La plupart des antennes PCB ont une excellente efficacité de rayonnement -- bien que moins qu'idéale -- avec des motifs omnidirectionnels. Étant donné que le motif de rayonnement montre les directions qui ont le plus haut et le plus bas rayonnement, l'efficacité de rayonnement indique comment orienter l'antenne pour l'application. Le gain (dBi) d'une antenne mesure la force du rayonnement dans la direction d'intérêt par rapport au comportement idéal.

En plus d'observer ces paramètres, les antennes PCB nécessitent un plan de masse de taille appropriée pour une performance optimale. D'un point de vue de conception simple, l'antenne se comporte comme un résonateur LC. La fréquence de résonance diminue avec l'augmentation de l'inductance ou de la capacité. Des plans de masse plus grands augmentent la capacité et diminuent la fréquence de résonance. Une meilleure mise à la terre permet également d'obtenir une meilleure perte de retour. Établir la mise à la terre correcte permet au concepteur d'antenne PCB d'avoir une meilleure performance.

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La conception d'antenne PCB présente des défis

Plusieurs défis différents confrontent les équipes cherchant à concevoir des antennes PCB haute performance. Certaines applications peuvent utiliser plusieurs antennes à la fois du côté de l'émetteur et du récepteur pour améliorer la performance d'un système d'antenne. Cependant, les éléments d'antenne qui sont à proximité les uns des autres peuvent commencer à interagir avec un couplage mutuel. Chaque réaction entre les éléments affecte la capacité du réseau à maintenir une bonne adaptation d'impédance et gaspille de l'énergie. De plus, le couplage électromagnétique perturbe le motif de rayonnement de l'antenne, inhibe le gain et affecte la fréquence de résonance.

Un autre défi implique l'effet de l'enceinte sur la sensibilité de l'antenne. Souvent, le plastique utilisé pour une enceinte aura une constante diélectrique plus élevée que l'air. Le manque de dégagement suffisant entre l'antenne et l'enceinte fait que l'antenne voit une constante diélectrique effective plus élevée. En conséquence, la longueur électrique de l'antenne augmente et la fréquence de résonance diminue. Les équipes de conception devraient toujours vérifier la performance du réseau d'adaptation de l'antenne avec l'enceinte plastique finale en place et le produit installé dans un scénario d'utilisation typique.

À haute fréquence, l'impédance d'un circuit RF change lorsqu'elle est mesurée à différentes distances de la charge. La largeur et l'épaisseur de la trace RF, l'espacement entre la trace et la masse ainsi que le type de substrat affectent également la quantité de changement d'impédance. Dans une conception d'antenne PCB, les câbles coaxiaux, les lignes microstrip et les guides d'ondes coplanaires fonctionnent comme des lignes de transmission. Les pratiques courantes impliquent l'utilisation d'un circuit passif comme réseau d'adaptation pour transformer l'impédance caractéristique de la trace RF et pour assurer le transfert de puissance maximal entre les impédances de source et de charge adaptées.

L'utilisation de circuits à haute vitesse au sein de produits électroniques qui utilisent des antennes PCB augmente le risque d'interférence électromagnétique et d'émissions rayonnées. Le bruit de commutation simultané (SSN) causé par la réduction de taille des circuits intégrés et l'augmentation des fréquences d'horloge des microprocesseurs résulte en un auto-brouillage, ou l'introduction de signaux qui affectent négativement le rapport signal-sur-bruit et distordent le signal transmis par une antenne. De la même manière, l'antenne peut causer un auto-brouillage le long de ses lignes de transmission et dégrader les signaux à travers le PCB.

Que fournit un bon logiciel de conception d'antenne ?

Le logiciel de conception d'antennes PCB analyse précisément les filtres, les lignes microstrip et les composants passifs qui constituent une antenne PCB. Le logiciel aide également à la conception d'antennes PCB en affichant les couches métal-diélectrique, les alimentations et les types de connecteurs. Pour répondre aux exigences de conception modernes, le logiciel de simulation d'antenne PCB fournit les propriétés géométriques et électriques de l'antenne pour une performance optimale. Établir ces propriétés permet au logiciel de modéliser l'impédance de l'antenne correcte et le motif de rayonnement.

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L'analyse et la simulation ne sont que des parties du processus de conception

Altium Designer résout les défis des antennes de cartes de circuits imprimés

Altium Designer fournit l'Éditeur de Schémas, l'Éditeur de PCB et des outils d'analyse de l'intégrité des signaux pour contrôler et faire correspondre les impédances nécessaires à une performance constante de l'antenne PCB. L'Éditeur de Schémas et l'Éditeur de PCB assurent que la correspondance d'impédance se produit du pin de sortie au pin d'entrée cible. De plus, les Éditeurs suggèrent l'ajout de composants de terminaison pour atteindre la correspondance à travers le circuit et des condensateurs de découplage ou des matériaux utilisés pour empêcher le couplage mutuel entre les antennes PCB. Les équipes peuvent trouver les composants corrects pour soutenir quelque chose comme une conception d'antenne BLE à travers des bibliothèques de bases de données ou le Altium Vault.

Les outils d'analyse de l'intégrité du signal dans Altium Designer identifient tous les réseaux qui pourraient avoir des niveaux inacceptables de réflexion. Les outils prédisent également les niveaux potentiels de réflexion et de diaphonie du signal tout en fournissant une analyse de type "et si" des composants de terminaison potentiels. La combinaison des éditeurs, des règles de conception et de la fonction Active Route assure que le chemin de routage correct pour le signal se produit et qu'un chemin ininterrompu pour le courant de retour existe sous le trajet du signal. Avec ces techniques, Altium Designer prévient les interférences électromagnétiques (EMI) et offre la meilleure conception pour des performances optimales de conception d'antenne PCB.

Alors que placer des blindages sur les horloges, les microcontrôleurs et les alimentations à découpage offre une solution pour éliminer les EMI, tout blindage bloquera les signaux transmis et ne devrait pas couvrir la conception de l'antenne PCB. Altium Designer peut protéger contre l'auto-brouillage avec une combinaison de règles de conception pour le routage et sa fonction Active Route. Les traces de sortie de l'horloge devraient passer au-dessus du plan de masse pour réduire tout courant induit par les champs RF parasites et minimiser les zones de boucle. Altium Designer aide également à éliminer les antennes PCB nettes qui peuvent causer l'auto-brouillage grâce au placement optimal des plans de masse. Tout plan de masse placé directement sous l'horloge forme une antenne nette.

Le gestionnaire de pile de couches d'Altium définit les couches utilisées dans la conception d'un circuit imprimé et régit les types de couches incluses dans la pile. Lors de la conception d'une antenne PCB, les équipes peuvent utiliser le gestionnaire de pile de couches pour spécifier chaque couche pour le type de matériau, l'épaisseur et la constante diélectrique. Altium Designer inclut également l'option Largeur pilotée par l'impédance caractéristique dans la règle de conception de largeur de routage. L'option applique une équation standard de l'industrie pour traduire l'impédance en un réglage de largeur.

Altium Designer offre également des outils de conception de PCB en 3D qui permettent aux équipes de voir l'impact des données mécaniques sur l'antenne PCB. Les équipes de conception peuvent importer le modèle de composant dans l'éditeur de bibliothèque et l'enceinte dans l'éditeur de PCB pour effectuer des tests de collision précis. Comme Altium Designer permet la collaboration ECAD et MCAD, le logiciel permet aux équipes de travailler avec des contraintes physiques externes et de sélectionner la forme de carte appropriée. Avec ces outils, les équipes de conception apportent les ajustements nécessaires pour les circuits et les enceintes afin de s'assurer que le plastique n'affecte pas la constante diélectrique.

L'environnement de conception unifié d'Altium rend la conception d'antenne PCB plus facile

Bien que de nombreuses applications logicielles de simulation d'antennes PCB fournissent les outils nécessaires, Altium Designer intègre les outils de schématique et de carte de circuit imprimé dans un seul environnement. Des outils de conception puissants tels que le Gestionnaire de pile de couches et les outils d'analyse de l'intégrité du signal répondent aux mêmes menus, commandes et touches de fonction. La suite complète d'outils trouvée dans l'environnement de conception unifié d'Altium permet de passer des concepts de schématique à la mise en page PCB, à la documentation de conception et à la fabrication et production.

• Apprenez-en plus sur les définitions de pile de couches pour vos cartes de circuits imprimés dans Altium Designer.
• Découvrez le routage interactif d'Altium Designer.
• Apprenez-en plus sur le placement intelligent des composants d'Altium Designer.

Soyez sûr de vos conceptions, quelles qu'elles soient.

Le logiciel innovant d'Altium Designer est capable d'atteindre et de dépasser tous vos besoins de conception potentiels, y compris la conception d'antennes BLE, les dispositifs médicaux, les conceptions IoT, etc. Donnez à vos cartes de circuits imprimés la sécurité d'être transférées à la production de la manière la plus précise et stable. Faites confiance à Altium Designer pour réaliser vos électroniques correctement.