Comment concevoir une alimentation par sonde coaxiale pour une antenne patch

L'implémentation d'une antenne patch sur un PCB nécessite une connexion à un autre composant ou module externe. Cette connexion est très souvent réalisée sous forme de ligne microstrip, éventuellement avec une ligne d'adaptation d'un quart de longueur d'onde, comme dans les réseaux d'antennes patch pour les systèmes sans fil avancés. Il existe une autre méthode impliquant un connecteur coaxial SMA ou autre, mais pas sur la même couche que l'antenne.

Les antennes patch alimentées par coaxial impliquent l'utilisation d'une antenne patch d'un côté du PCB, tandis que la ligne d'alimentation est routée sur le côté arrière du PCB. La connexion entre les deux couches est réalisée à l'aide d'un via. Cet article présentera les principales équations de conception pour mettre en œuvre ce type de méthode de ligne d'alimentation, ainsi qu'un exemple simple de ce type de module.

Alimentation Coaxiale pour une Antenne Patch

L'alimentation coaxiale d'une antenne patch implique le placement de l'antenne patch et de son élément de ligne d'alimentation sur deux couches différentes. Normalement, nous placerions le patch sur la couche supérieure et la connexion de la ligne d'alimentation sur la couche inférieure. La ligne d'alimentation se connecterait ensuite au PCB à travers un connecteur coaxial SMD vertical (par exemple, un connecteur SMA vertical tel que 73251-1350 de Molex), et une via interne acheminerait le signal injecté vers l'antenne patch.

Comme nous pouvons le voir ci-dessus, la coordonnée où l'antenne patch se fixe à la via n'est pas située au centre de l'antenne. Cela est intentionnel car l'impédance de l'antenne varie à travers la surface de l'antenne patch. Par conséquent, nous voulons connecter la sonde à un endroit où l'impédance d'entrée dans l'antenne correspond à l'impédance du câble/coaxial du connecteur. Pour ce faire, nous avons d'abord besoin de l'impédance de l'antenne au bord de l'antenne, et nous pouvons utiliser cela pour déterminer l'emplacement de l'alimentation.

Équations de Conception d'Alimentation Coaxiale

L'ensemble standard d'équations de conception pour les antennes patch alimentées en bout est utilisé pour dimensionner le patch utilisé dans ce type de conception. Une fois cela terminé, l'emplacement de l'alimentation coaxiale peut être déterminé. Pour trouver les équations de conception pour les dimensions du patch et l'impédance du patch à alimentation latérale, vous pouvez consulter un autre article (lien ci-dessous). Vous pouvez également utiliser notre calculatrice d'antenne patch :

• Consulter les équations de conception d'antenne patch et la calculatrice

Une fois l'impédance et la longueur du patch trouvées, celles-ci doivent être utilisées pour déterminer l'emplacement de la ligne d'alimentation encastrée. Normalement, nous utilisons un câble coaxial et un connecteur avec une impédance assortie (normalement à 50 Ohms). C'est notre impédance cible à laquelle nous aimerions adapter l'antenne patch. À un certain endroit le long de la direction x (voir ci-dessous), il y aura un emplacement particulier où l'impédance de l'antenne sera de 50 Ohms. C'est l'emplacement où la ligne d'alimentation sera connectée.

L'emplacement de la coordonnée x est trouvé avec l'équation montrée ci-dessous.

En résumé, le processus de conception pour le placement de la sonde coaxiale est simple :

1. Sélectionnez une fréquence de fonctionnement et un empilement
2. Utilisez la fréquence et l'épaisseur de couche/la valeur Dk pour déterminer la taille de l'antenne
3. Calculez l'impédance d'entrée de bord pour l'antenne
4. Utilisez l'équation ci-dessus pour calculer la coordonnée x pour l'emplacement de la sonde

Comment concevoir l'empilement

La première image ci-dessus implique que le seul empilement autorisé pour ce type de connexion est une carte à 2 couches, où l'antenne est sur la couche supérieure et le plan de masse de l'antenne est sur la couche inférieure. Bien qu'une carte standard à 2 couches et 62 mil d'épaisseur puisse certainement être utilisée, cela n'est pas une exigence stricte. L'avantage d'utiliser plus de deux couches vient de la possibilité d'utiliser des composants numériques et des signaux à haute vitesse sur le côté arrière du PCB, tandis que l'antenne est isolée sur le côté opposé du PCB.

Jetez un œil à l'exemple de superposition ci-dessous. Dans cette superposition, nous pourrions placer GND sur L2 et L3 car cela permettrait le placement et le routage des signaux sur L4. Lorsque l'antenne est placée sur L1, l'épaisseur sous L1 (4 mils dans ce cas) serait la valeur utilisée pour l'épaisseur du substrat dans les équations de conception de l'antenne patch. Plus de couches internes pourraient également être utilisées si désiré.

Faire la connexion dans les outils CAO

L'exemple ci-dessous utilise la superposition à 4 couches montrée ci-dessus, avec un connecteur SMA sur L4 et l'antenne sur L1 ; L2 et L3 sont la masse. Pour faire la connexion à l'antenne patch, une via doit être placée directement depuis le centre du connecteur SMA, et elle doit être remplie + bouchée afin que le SMA puisse être soudé sur la pastille de la via.

Ce type de via sera acceptable jusqu'à environ 5 GHz. Au-delà de ce niveau, la structure de la via devra être optimisée pour une impédance cible de 50 Ohms avec des vias de couture, ce qui pourrait affecter la propagation du signal et les modes à l'intérieur de l'antenne patch. Cela est dû au fait que l'impédance de la via diverge, comme je l'ai discuté dans cet article.

Dans un article et une vidéo à venir, je présenterai un exemple de module qui utilise une antenne patch pour la diffusion à haute fréquence, et cela inclura un ensemble de circuits sur la couche arrière qui utilisent la ligne d'alimentation à travers le côté arrière du PCB. Je montrerai également comment définir un style de via à travers la couche arrière qui peut gérer des fréquences beaucoup plus élevées dans la vidéo à venir.

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