Conception d'antenne PCB à double bande : Garder votre IEM sous contrôle

Si vous êtes né dans les années 1980 ou avant, vous vous souvenez probablement de ces vieux téléphones portables en forme de brique et de leurs énormes antennes. Avançons rapidement jusqu'à aujourd'hui, et la plupart des gens ne réalisent même pas que leurs smartphones ont des antennes. Les propositions de conception d'antennes ont parcouru un long chemin depuis les années 80, et les nouvelles antennes peuvent émettre et recevoir dans plus d'une bande de fréquence.

À mesure que l'industrie mobile et de l'IoT continue de progresser, les dispositifs électroniques continuent d'utiliser des protocoles de communication sans fil pour envoyer et recevoir des données. Ces dispositifs devront communiquer dans plusieurs bandes de fréquence pour accomplir leur travail et de nouvelles conceptions d'antennes continueront d'apparaître dans les PCBs. Les antennes à double bande intègrent deux antennes dans un seul module et vous aideront à économiser un espace précieux dans la disposition de votre PCB.

Antennes à double bande dans votre PCB

Une antenne à double bande est une antenne qui peut émettre et recevoir dans deux bandes de fréquence différentes. Ces antennes peuvent fonctionner sur ces différentes fréquences individuellement ou simultanément, selon les capacités de l'antenne individuelle. Les conceptions d'antennes omnidirectionnelles standard, comme une antenne monopôle, dipôle ou à fente, peuvent être modifiées pour montrer une émission à double bande.

PCB avec un module d'antenne dipôle

Les antennes bi-bande sur les PCBs, capables d'opérer à 2,4 GHz et 5,8 GHz, sont déjà disponibles. Ce type d'antenne permet à un appareil de fonctionner selon différents standards IEEE et élargit sa gamme de capacités de communication au-delà du WiFi. Certains téléphones mobiles utilisent une communication bi-bande qui est séparée du WiFi.

Plutôt que de choisir un module d'antenne standard, une antenne bi-bande peut être facilement intégrée à votre appareil. Une antenne intégrée peut être imprimée directement sur le PCB et présente des coûts de fabrication et d'assemblage inférieurs par rapport à un module d'antenne externe. Comme les modules d'antenne bi-bande externes sont imprimés sur leurs propres PCBs, concevoir et imprimer votre propre antenne intégrée peut vous aider à maintenir un facteur de forme plus petit.

Si concevoir une antenne imprimée n'est pas votre tasse de thé, une autre option qui maintient un petit facteur de forme est d'utiliser une antenne bi-bande en puce céramique dans votre agencement. Ces puces sont à faible coût et de nombreuses options de fréquence sont disponibles. Elles sont également adaptées en impédance à 50 Ohms, elles respectent les normes de l'industrie, et ont un gain linéaire élevé.

Antenne Bi-bande Imprimée

Imprimer une antenne bi-bande directement sur votre PCB peut être un défi et il y a un certain nombre d'aspects de conception qui doivent être pris en compte. Tout dispositif avec un taux de transfert de données élevé doit suivre les directives de conception à haute vitesse.

Si votre dispositif doit fonctionner sur une large plage de températures, l'expansion/contraction du volume peut entraîner un changement dans la fréquence de résonance de l'antenne. Cela modifie la puissance transmise ou reçue à la fréquence porteuse prévue.

Si vous utilisez un métal qui a un faible coefficient d'expansion thermique, vous pouvez minimiser les changements de volume. Il est important d'assortir le coefficient thermique de votre métal et de vos pistes à celui du matériel de la carte. Un grand désaccord peut conduire à la délamination ou à la fracture à des températures extrêmes.

Une fois que vous avez décidé d'une géométrie et planifié votre conception, vous devrez adapter l'impédance. La plupart des antennes disponibles commercialement sont déjà adaptées à une impédance de 50 Ohms à 2,4 GHz, et vous devrez faire de même avec votre antenne personnalisée. Tout désaccord d'impédance entre l'antenne et son pilote/récepteur peut être compensé en utilisant deux inducteurs et deux condensateurs.

Une compréhension de base d'un diagramme de Smith est nécessaire pour l'adaptation d'impédance des antennes. En résumé, un diagramme de Smith aide à visualiser l'incompatibilité exacte d'impédance entre une antenne et une charge. Le placement de l'inducteur et du condensateur dépendra de l'incompatibilité exacte entre l'impédance de l'antenne et de la charge.

Un couple condensateur/inducteur sera placé en série avec l'antenne ou la charge, et l'autre couple sera placé comme éléments en dérivation. L'adaptation d'impédance d'une bande affecte l'adaptation de l'autre bande, donc chaque bande ne peut pas être adaptée en impédance séquentiellement. Placer vos éléments en série et en dérivation nécessite un peu d'essais et d'erreurs ainsi qu'un peu d'expérience.

Quand vous dites que vous avez un cœur d'enfant, j'espère que cela ne se traduit pas dans vos conceptions de PCB

Auto-brouillage EMI

Si des mesures pour contrôler l'EMI ne sont pas mises en œuvre dans votre PCB, votre antenne peut causer un auto-brouillage. L'auto-brouillage se produit lorsqu'un élément rayonnant (comme un oscillateur rayonnant) induit un signal quelque part dans le circuit. Cela dégrade le rapport signal-bruit et peut distordre le signal envoyé par une antenne émettrice. Cela a été d'abord appelé "auto-calme" dans la communauté de la radio FM et, plus récemment, a été un problème sérieux dans les puces RFID.

Les composants électroniques sur votre PCB, tels que les horloges, les microcontrôleurs et les alimentations à découpage, peuvent provoquer un auto-brouillage dans votre PCB et dégrader l'un ou les deux des signaux envoyés et reçus par votre antenne bi-bande. Les harmoniques d'ordre supérieur dans l'un de ces composants peuvent produire une émission indésirable qui interfère avec le signal de l'antenne. De même, votre antenne peut causer un auto-brouillage dans ces composants et peut dégrader les signaux dans le reste de votre PCB.

Selon l'agencement des composants sur votre PCB, le blindage peut être une option pour prévenir l'auto-brouillage. Faites attention à ne pas blinder l'antenne elle-même, car les signaux transmis seront bloqués par le blindage et n'atteindront jamais leur destination. Si votre facteur de forme le permet, des composants critiques comme les microcontrôleurs et l'électronique soutenant votre antenne peuvent être blindés, tandis que votre antenne est laissée non blindée sur la même carte.

Placer un blindage peut ne pas être approprié pour tous les designs, surtout lorsque la disposition est très compliquée. Lorsque le design est contraint par le facteur de forme, il existe un certain nombre de pratiques de conception qui peuvent aider à réduire la susceptibilité à l'auto-brouillage et à l'EMI en général.

L'emplacement de votre horloge et de son plan de masse est d'une importance particulière. Il est important de faire passer les pistes de sortie de votre horloge au-dessus de son plan de masse afin de minimiser la surface de la boucle, car cela réduit tout courant induit par des champs RF parasites. Cependant, le plan de masse ne doit pas être placé directement sous l'horloge elle-même, car cela forme une antenne patch alimentée au centre. Éliminer ce type d'antennes réseau est l'une des meilleures façons de prévenir l'auto-brouillage.

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