Conception pour l'isolation d'antenne dans votre système sans fil

Toute personne ayant démonté un vieux téléphone portable ou concevant des dispositifs IoT sait que ces conceptions intègrent de multiples capacités de communication, nécessitant chacune des antennes différentes. Le concepteur RF devrait déjà prendre des précautions pour l'isolation des interconnexions, mais l'isolation des antennes est tout aussi importante lors de la modélisation et de la conception de systèmes sans fil.

La technique d'isolation d'antenne la plus basique nécessite simplement de placer les antennes plus loin l'une de l'autre et de concevoir le réseau d'adaptation pour fournir un certain niveau de filtration éloigné des fréquences de fonctionnement souhaitées. Sur un PCB réel pour un dispositif sans fil avec de multiples protocoles de communication, la solution nécessite d'aller plus loin et de prendre en compte le stackup, ainsi que d'ingénier des structures à bande interdite électromagnétique pour supprimer les interférences.

Types d'Isolation d'Antenne

Des mesures d'isolation d'antenne doivent être mises en œuvre lorsque plusieurs antennes sont présentes sur le même circuit imprimé. La forme la plus simple d'isolation consiste à séparer les différentes antennes dans différentes parties du circuit, car le rayonnement émis par les antennes sans réflecteur diminuera naturellement avec la distance. Cela est suivi par un réglage minutieux du réseau d'adaptation de l'antenne pour éviter un gain excessif. L'isolation est réciproque, c'est-à-dire qu'elle est une fonction des gains des deux antennes et de la transmittance entre les deux éléments. Une faible valeur d'isolation entre deux antennes signifie que les antennes captent le rayonnement l'une de l'autre.

Lorsque nous parlons de « types » d'isolation d'antenne, nous faisons en réalité référence à la manière dont le rayonnement électromagnétique d'une antenne est reçu par une autre antenne. Lorsqu'une carte réelle est placée dans son boîtier, l'environnement pour le rayonnement peut devenir assez complexe. L'isolation doit être conçue pour supprimer les sources d'interférence suivantes :

• Rayonnement direct : Cela implique simplement de réduire la force du rayonnement envoyé d'une antenne et reçu par une autre antenne. Cela dépend de la directivité, de la sensibilité à la polarisation et de tout élément de blindage.
• Résonances du boîtier : Le rayonnement émis peut exciter des résonances à l'intérieur d'un boîtier, ce qui provoque alors des interférences entre différentes sections de la carte en raison de réflexions et de la propagation multipath. Les résonances du boîtier apparaissent comme de petits pics dans le motif de rayonnement.
• Excitation du mode de guide d'onde : Les modes de guide d'onde à plans parallèles se propageant peuvent être excités lorsqu'une antenne est excitée et rayonne à certaines fréquences. Ce problème n'est pas le résultat d'un chemin de retour mal planifié ; au lieu de cela, c'est un effet qui se produit en raison du rayonnement d'une antenne. De même, les ondes de surface peuvent être excitées par une antenne rayonnante, en particulier les antennes planaires, qui peuvent ensuite être guidées vers une autre section de la carte grâce au contraste de l'indice de réfraction entre l'indice de réfraction du substrat et l'air.
• Couplage de bruit : Le bruit d'une section peut se propager dans une autre sous forme d'EMI. Le problème de l'EMI entre les antennes est partiellement résolu avec une planification intelligente de l'implantation.

L'isolation des antennes est une mesure de la facilité avec laquelle une antenne captera les radiations d'une autre antenne, ce qui est quantifié en termes de S12 entre les deux éléments d'antenne. Les objectifs d'isolation typiques sont fixés à au moins +20 dB, selon le produit, et l'isolation peut être mesurée avec un analyseur de réseau vectoriel. Les antennes partageant un plan de référence, comme les antennes sur un smartphone, peuvent avoir une faible isolation en raison des courants excités dans le plan de masse, ce qui diminuera l'efficacité des deux antennes.

Isolation contre le rayonnement direct

Lorsqu'on traite avec des antennes hautement directionnelles, telles que les réseaux à commande de phase, il n'y a guère plus à faire que de placer soigneusement les antennes de sorte que les lobes principaux et les lobes secondaires ne soient pas dirigés directement l'un vers l'autre. De même, lorsqu'on traite avec deux antennes polarisées, les deux antennes doivent simplement être orientées de manière à ce qu'elles soient électriquement orthogonales l'une à l'autre. Cependant, cela n'est pas pratique dans de nombreux produits mobiles/IoT avancés.

Dans le cas où le rayonnement est non polarisé ou faiblement polarisé, et que les antennes sont proches l'une de l'autre, le gain des deux antennes et les réseaux d'adaptation doivent être précisément ajustés pour fournir le niveau d'isolation approprié. Les réseaux d'adaptation LC avec des résistances en série ou en dérivation peuvent fournir une adaptation suffisante à un microstrip d'alimentation aux fréquences d'antenne pertinentes ; l'isolation fournie par les réseaux d'adaptation peut être suffisante lorsque les deux fréquences d'antenne sont assez différentes. Cependant, avec des radiateurs de haute puissance et des antennes suffisamment rapprochées, des mesures supplémentaires peuvent être nécessaires pour augmenter le niveau d'isolation.

Structures à Bande Interdite Électromagnétique (EBG) pour l'Isolation

Même si vous n'avez jamais entendu parler d'une structure à bande interdite électromagnétique (EBG), vous avez probablement entendu parler des clôtures de vias. Une clôture de vias est probablement le type le plus simple de structure EBG que vous rencontrerez dans la plupart des conceptions RF, mais des variations sur les structures de clôtures de vias peuvent être conçues pour fournir une isolation large bande entre les réseaux d'antennes. Ces structures peuvent être utilisées pour aborder deux des quatre points d'isolation énumérés ci-dessus : la suppression des ondes de surface et la suppression des modes de guide d'onde.

Conceptuellement, ces structures peuvent être analysées électrostatiquement ou à l'aide d'un modèle de circuit ; les deux aspects permettent de comprendre comment ces structures facilitent l'isolation. En termes de modèle de circuit, ces structures peuvent être analysées comme des filtres passe-bande LC, produisant une haute impédance à la fréquence de résonance de la structure. Placer plusieurs structures EBG en parallèle (c'est-à-dire, sur plusieurs couches) ou en série (c'est-à-dire, côte à côte sur la même couche), permet d'ajuster précisément la résonance et la bande passante aux valeurs souhaitées. De plus, l'empilement en parallèle forme effectivement un filtre d'ordre supérieur et réduit la bande passante de la structure.

Bien que les structures EBG occupent plus d'espace sur le circuit imprimé qu'une clôture de vias, elles peuvent être conçues pour fournir une isolation bien plus élevée. En plus de fournir une isolation d'antenne par la suppression des ondes de surface et des modes de guide d'onde, les structures EBG aident également à supprimer le bruit de commutation simultanée (SSN) dans un PDN. Cela les rend assez utiles pour les composants analogiques fonctionnant à une fréquence unique ou à un petit nombre de fréquences, mais elles ne sont pas si utiles pour les PDN numériques. C'est parce que, comme les signaux numériques, le SSN dans un PDN numérique se produit sur une large bande passante. Jetez un œil à cet article de l'IEEE pour plus d'informations sur les structures EBG.

Les outils de conception et d'analyse dans Altium Designer peuvent vous aider à concevoir un réseau d'adaptation, analyser des modèles de circuits pour des EBGs, ou agencer vos cartes pour une isolation suffisante. Les outils de mise en page sont idéaux pour concevoir des EBGs dans votre carte, et ses outils de simulation peuvent vous aider à ajuster vos réseaux d'adaptation et analyser des modèles de circuits pour vos structures d'isolation. Altium Designer inclut également un ensemble intégré d'outils pour construire des schémas, gérer des composants, et préparer les livrables pour votre fabricant.

Maintenant, vous pouvez télécharger un essai gratuit d'Altium Designer et en savoir plus sur les meilleurs outils de mise en page, de simulation et de planification de production de l'industrie. Parlez à un expert Altium aujourd'hui pour en savoir plus.