Il miglior software di progettazione di antenne PCB semplifica l'implementazione dell'antenna

La progettazione di antenne per circuiti stampati può essere un compito difficile per qualsiasi software; tuttavia, questo non dovrebbe essere un problema per Altium Designer, che può fungere da software di progettazione di antenne BLE di riferimento e molto altro ancora.

ALTIUM DESIGNER

Garantire che le tue progettazioni di antenne siano posizionate senza problemi

La domanda dei consumatori e del settore ha stimolato la richiesta di dispositivi wireless più piccoli. I dispositivi supportano tecnologie indossabili, applicazioni Bluetooth Low Energy (BLE), sistemi di comunicazione personale, applicazioni per l'Internet delle Cose (IoT), tecnologie mediche, sistemi avanzati di assistenza alla guida per l'automotive e altre tecnologie innovative. Ognuna di queste e altre applicazioni richiede antenne PCB che riducano l'impronta fisica e il costo mantenendo al contempo le prestazioni. Inoltre, le progettazioni di antenne PCB devono anche rispondere a requisiti di frequenza che vanno dalla tipica banda dei 2,4 GHz alle frequenze in onde millimetriche.

Invece di utilizzare un filo tridimensionale che si estende sopra il PCB o un'antenna a chip, un software di progettazione di antenne PCB consiste in una traccia disegnata su un Circuito Stampato. A seconda del tipo di antenna e dei vincoli di spazio, i tipi di tracce utilizzati per il progettista di antenne PCB includono tracce dritte, tracce di tipo F invertito, tracce serpeggianti, tracce circolari o tracce curve che presentano ondulazioni. La struttura bidimensionale dell'antenna PCB richiede un software di progettazione di antenne robusto come Altium Designer per garantire che la struttura soddisfi le specifiche fornite dal produttore.

Il miglior software di simulazione di antenne PCB abbina l'innovazione all'applicazione

I produttori possono offrire antenne PCB come componenti già fabbricati che includono cavi e connettori. Con la gamma di opzioni di antenne PCB disponibili (ad es. progettazione di antenne BLE, antenna IoT, ecc.), un team può aggiungere alla progettazione del sistema o personalizzare un'antenna secondo i requisiti elettrici e meccanici. I progetti di antenne PCB variano da semplici patch microstrip a combinazioni di patch microstrip, linee di trasmissione a striscia e linee di trasmissione a guida d'onda coplanare (CPW). Alcuni progetti possono combinare diversi tipi di linee di trasmissione all'interno della stessa antenna PCB.

La scelta di un software per la progettazione di antenne PCB dipende dall'applicazione. Un mouse wireless non necessita dello stesso intervallo RF e tasso di trasmissione dati che possono essere richiesti da altre applicazioni. Sensori e dispositivi connessi all'Internet delle Cose richiedono intervalli RF maggiori e tassi di trasmissione dati più elevati. I nuovi progetti di antenne PCB presentano copertura a banda doppia e a più bande di frequenza come risposta alle applicazioni di sistema che richiedono ampi intervalli di frequenza a banda larga o più applicazioni servite dalla stessa antenna.

A causa della variazione negli intervalli RF, i progetti che hanno gli stessi requisiti di potenza spesso hanno layout diversi e applicano principi diversi per la progettazione dell'antenna. Indipendentemente dall'applicazione, la progettazione dell'antenna e il layout RF hanno il maggiore impatto sulla prestazione. Inoltre, un software di simulazione di antenne PCB deve seguire le linee guida per il layout delle tracce RF, attenersi alle migliori pratiche nella stratificazione del PCB e nella messa a terra, fornire il decoupling dell'alimentazione elettrica e essere composto dai corretti componenti passivi RF. Le differenze nel design e nei requisiti del prodotto stabiliscono la necessità di un software per la progettazione di antenne PCB.

Ad esempio, alcune applicazioni ad alta frequenza che non richiedono un guadagno maggiore utilizzano antenne PCB monopolo che consistono in un patch microstrip formato su un lato di un laminato di circuito separato da un piano di massa più grande mediante un dielettrico. Altre applicazioni possono richiedere un guadagno maggiore a certe frequenze e utilizzare configurazioni multistrato. In entrambi i casi, la lunghezza d'onda della frequenza operativa target ha una relazione diretta con la dimensione del patch.

Il design dell'antenna PCB richiede un approccio fondamentale

Il design dell'antenna PCB inizia con l'istituzione dei principali parametri di prestazione. Tali parametri includono

• Perdita di ritorno
• Larghezza di banda
• Efficienza di radiazione
• Schema di radiazione, e
• Guadagno.

Ogni antenna deve corrispondere a un'alimentazione del segnale che ha un'impedenza caratteristica tipica di 50 ohm. La perdita di ritorno di un'antenna indica la qualità dell'adattamento mostrando la quantità di potenza incidente (dB) riflessa dall'antenna a causa di un disadattamento. Una perdita di ritorno infinita indica che l'antenna corrisponde all'alimentazione del segnale. I design perfetti delle antenne irradiano tutta l'energia senza alcuna riflessione. Generalmente, i team di progettazione trovano sufficiente una perdita di ritorno di 10 dB; il 90% della potenza incidente va all'antenna per la radiazione.

La larghezza di banda di un'antenna misura la risposta in frequenza dell'antenna. Per mettere ciò in una prospettiva diversa, la larghezza di banda misura la capacità dell'antenna di adattarsi al segnale in ingresso sull'intera banda di interesse. Quando si considera il design dell'antenna BLE, le maggiori perdite si verificano a 2,33 GHz e 2,55 GHz mentre le perdite più basse e la migliore efficienza si verificano tra 2,40 GHz e 2,48 GHz. La maggior parte dei dispositivi consumer utilizza una larghezza di banda più ampia per minimizzare l'effetto del detuning causato dall'ambiente operativo.

L'efficienza di radiazione descrive la quantità di potenza non riflessa dissipata come calore o perdita termica in un'antenna. Un'efficienza di radiazione del 100 percento indica che tutta la potenza non riflessa irradia nello spazio libero. Nei design di antenne PCB, la perdita termica si verifica attraverso la perdita dielettrica nel substrato FR4 e la perdita del conduttore nelle tracce. Le antenne PCB di piccolo formato hanno la perdita termica più bassa e l'efficienza di radiazione più alta.

Oltre all'efficienza di radiazione, le antenne hanno una potenza di radiazione specifica. Il comportamento ideale dell'antenna irradia potenza ugualmente in tutte le direzioni nel piano perpendicolare all'asse dell'antenna. La maggior parte delle antenne PCB ha un'efficienza di radiazione eccellente--ma meno che ideale--con schemi omnidirezionali. Poiché lo schema di radiazione mostra le direzioni che hanno la maggiore e la minore radiazione, l'efficienza di radiazione indica come orientare l'antenna per l'applicazione. Il guadagno (dBi) di un'antenna misura la forza della radiazione nella direzione di interesse quando confrontata con il comportamento ideale.

Oltre a osservare questi parametri, le antenne PCB richiedono un piano di massa della dimensione adeguata per prestazioni ottimali. Da una semplice prospettiva di progettazione, l'antenna si comporta come un risonatore LC. La frequenza di risonanza diminuisce con l'aumento dell'induttanza o della capacità. Piani di massa più grandi aumentano la capacità e diminuiscono la frequenza di risonanza. Una migliore messa a terra ottiene anche una migliore perdita di ritorno. Stabilire il corretto piano di massa consente al progettista di antenne PCB di ottenere prestazioni migliori.

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La progettazione di antenne PCB presenta sfide

Diverse sfide si pongono di fronte ai team che cercano di progettare antenne PCB ad alte prestazioni. Alcune applicazioni possono utilizzare più antenne sia sul lato del trasmettitore che del ricevitore per migliorare le prestazioni di un sistema di antenne. Tuttavia, gli elementi dell'antenna che si trovano in stretta vicinanza tra loro possono iniziare a interagire con accoppiamento reciproco. Ogni reazione tra gli elementi influisce sulla capacità dell'array di mantenere un buon adattamento dell'impedenza e spreca energia. Inoltre, l'accoppiamento elettromagnetico disturba il modello di radiazione dell'antenna, inibisce il guadagno e influisce sulla frequenza di risonanza.

Un'altra sfida riguarda l'effetto del contenitore sulla sensibilità dell'antenna. Molte volte, la plastica utilizzata per un contenitore avrà una costante dielettrica più alta dell'aria. La mancanza di sufficiente spazio libero tra l'antenna e il contenitore fa sì che l'antenna percepisca una costante dielettrica effettiva più alta. Di conseguenza, la lunghezza elettrica dell'antenna aumenta e la frequenza di risonanza diminuisce. I team di progettazione dovrebbero sempre verificare le prestazioni della rete di adattamento dell'antenna con il contenitore in plastica definitivo in posizione e il prodotto installato in uno scenario di utilizzo tipico.

Alle alte frequenze, l'impedenza di un circuito RF cambia quando misurata a diverse distanze dal carico. La larghezza e lo spessore della traccia RF, la distanza tra la traccia e la massa insieme al tipo di substrato influenzano anche la quantità di variazione dell'impedenza. In un design di antenna PCB, i cavi coassiali, le linee microstrip e le guide d'onda coplanari funzionano come linee di trasmissione. Le pratiche comuni prevedono l'uso di un circuito passivo come rete di adattamento per trasformare l'impedenza caratteristica della traccia RF e per garantire il massimo trasferimento di potenza tra le impedenze di sorgente e di carico corrispondenti.

L'uso di circuiti ad alta velocità all'interno di prodotti elettronici che utilizzano antenne PCB aumenta il rischio di interferenze elettromagnetiche e di emissioni irradiate. Il rumore di commutazione simultanea (SSN) causato dalla riduzione delle dimensioni dei circuiti integrati e dall'aumento delle frequenze di clock dei microprocessori porta all'auto-jamming, ovvero all'introduzione di segnali che influenzano negativamente il rapporto segnale/rumore e distorcono il segnale trasmesso da un'antenna. Allo stesso modo, l'antenna può causare auto-jamming lungo le sue linee di trasmissione e degradare i segnali in tutto il PCB.

Cosa offre un buon software di progettazione di antenne?

Il software per la progettazione di antenne PCB analizza accuratamente i filtri, le linee microstrip e i componenti passivi che costituiscono un'antenna PCB. Il software assiste anche nella progettazione dell'antenna PCB mostrando i livelli metallo-dielettrico, gli alimentatori e i tipi di connettori. Per soddisfare i moderni requisiti di progettazione, il software di simulazione dell'antenna PCB fornisce le proprietà geometriche ed elettriche dell'antenna per una prestazione ottimale. Stabilire queste proprietà consente al software di modellare l'impedenza corretta dell'antenna e il pattern di radiazione.

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L'analisi e la simulazione sono solo parti del processo di progettazione

Altium Designer risolve le sfide delle antenne su circuito stampato

Altium Designer fornisce l'Editor Schemi, l'Editor PCB e strumenti di analisi dell'integrità del segnale per controllare e abbinare le impedenze necessarie per una prestazione consistente dell'antenna PCB. L'Editor Schemi e l'Editor PCB assicurano che l'abbinamento dell'impedenza avvenga dall'uscita del pin all'ingresso del pin target. Inoltre, gli Editori suggeriscono l'aggiunta di componenti di terminazione per ottenere un abbinamento in tutto il circuito e condensatori di disaccoppiamento o materiali usati per prevenire l'accoppiamento reciproco tra le antenne PCB. I team possono trovare i componenti corretti per supportare qualcosa come un design di antenna BLE attraverso librerie di database o l'Altium Vault.

Gli strumenti di analisi dell'integrità del segnale in Altium Designer identificano qualsiasi net che potrebbe avere livelli inaccettabili di riflessione. Gli strumenti prevedono anche i potenziali livelli di riflessione del segnale e di diafonia, fornendo un'analisi what-if dei potenziali componenti di terminazione. La combinazione degli Editor, delle Regole di Progettazione e di Active Route assicura che il percorso di routing corretto per il segnale si verifichi e che esista un percorso ininterrotto per la corrente di ritorno sotto il percorso del segnale. Con queste tecniche, Altium Designer previene l'EMI e fornisce la migliore progettazione per prestazioni ottimali dell'antenna PCB.

Mentre il posizionamento di schermature su orologi, microcontrollori e alimentatori switching offre una soluzione per eliminare l'EMI, qualsiasi schermatura bloccherà i segnali trasmessi e non dovrebbe coprire la progettazione dell'antenna PCB. Altium Designer può proteggere dal self-jamming con una combinazione di regole di progettazione per il routing e la sua funzione Active Route. Le tracce in uscita dall'orologio dovrebbero correre sopra il piano di massa per ridurre qualsiasi corrente indotta da campi RF vaganti e minimizzare le aree di loop. Altium Designer assiste anche nell'eliminazione delle antenne PCB nette che possono causare self-jamming attraverso il posizionamento ottimale dei piani di massa. Qualsiasi piano di massa posizionato direttamente sotto l'orologio forma un'antenna netta.

Il Layer Stack Manager di Altium definisce i livelli utilizzati in un progetto di scheda a circuito stampato (PCB) e governa i tipi di strati inclusi nel pacchetto. Quando si progetta un'antenna PCB, i team possono utilizzare il Layer Stack Manager per specificare per ogni strato il tipo di materiale, lo spessore e la costante dielettrica. Altium Designer include anche l'opzione Larghezza guidata dall'Impedenza Caratteristica nella regola di progettazione della larghezza di routing. L'opzione applica un'equazione standard del settore per tradurre l'impedenza in un'impostazione di larghezza.

Altium Designer offre inoltre strumenti di layout PCB 3D che permettono ai team di vedere l'impatto dei dati meccanici sull'antenna PCB. I team di progettazione possono importare il modello del componente nell'editor di libreria e l'involucro nell'Editor PCB per eseguire test di collisione accurati. Poiché Altium Designer abilita la collaborazione tra ECAD e MCAD, il software consente ai team di lavorare con vincoli fisici esterni e selezionare la forma della scheda appropriata. Con questi strumenti, i team di progettazione apportano le regolazioni necessarie per circuiti e involucri per assicurarsi che la plastica non influenzi la costante dielettrica.

L'Ambiente di Progettazione Unificato di Altium Rende la Progettazione dell'Antenna PCB Più Semplice

Mentre molte applicazioni software per la simulazione di antenne PCB forniscono gli strumenti necessari, Altium Designer integra gli strumenti per schemi elettrici e schede circuito in un unico ambiente. Potenti strumenti di progettazione come il Layer Stack Manager e gli strumenti per l'Analisi dell'Integrità del Segnale rispondono agli stessi menu, comandi e tasti funzione. La suite completa di strumenti trovata nell'ambiente di progettazione unificato di Altium consente di trasferire i concetti dallo schema al layout della PCB, alla documentazione di progettazione e alla fabbricazione e produzione.

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Sii sicuro delle tue progettazioni, qualunque esse siano.

Il software innovativo di Altium Designer è in grado di raggiungere e superare qualsiasi esigenza di progettazione che tu possa avere, inclusa la progettazione di antenne BLE, dispositivi medici, progetti IoT, ecc. Dai alle tue schede circuito la sicurezza di essere trasferite alla produzione nel modo più preciso e stabile. Affida ad Altium Designer il compito di realizzare correttamente l'elettronica.