Il miglior software per circuiti stampati per la progettazione di antenne PCB semplifica l'implementazione delle antenne

Zachariah Peterson
|  Creato: April 9, 2020
Il miglior software per circuiti stampati per la progettazione di antenne PCB semplifica l'implementazione delle antenne

La progettazione di antenne PCB può essere un'attività complessa per qualsiasi software; tuttavia, ciò non dovrebbe rappresentare un problema per Altium Designer.

ALTIUM DESIGNER

Assicurarsi che le progettazioni di antenne siano posizionate correttamente.

La domanda industriale e dei consumatori ha fatto crescere la richiesta di dispositivi wireless di piccole dimensioni. I dispositivi supportano tecnologie indossabili, applicazioni Bluetooth Low Energy (BLE), sistemi di comunicazione personali, applicazioni Internet of Things (IoT), tecnologie mediche, sistemi avanzati di assistenza alla guida di veicoli e altre tecnologie innovative. Ognuna di queste e molte altre applicazioni richiedono l'uso di una antenna PCB in grado di ridurre il footprint fisico e i costi pur mantenendo prestazioni elevate. In aggiunta, le progettazioni di antenne PCB devono anche rispondere a requisiti di frequenza che spaziano dalla tipica banda a 2,4 GHz alle frequenze a onde millimetriche.

Invece di usare un filo tridimensionale che si estende sul PCB o di un'antenna su chip, un'antenna PCB consiste in una traccia su un circuito stampato. A seconda del tipo di antenna e dei vincoli di spazio, il tipo di tracce usate per le antenne PCB include tracce diritte, tracce di tipo F invertite, tracce a zig-zag, tracce circolari o una traccia curva con contorsioni. La struttura bidimensionale dell'antenna PCB richiede un software di progettazione tipo Altium Designer per assicurarsi che la struttura soddisfi le specifiche fornite dal produttore.

Il miglior software per progettare una antenna PCB combina l'innovazione con l'applicazione

I produttori possono offrire antenne PCB come componenti già fabbricati che includono cavi e connettori. Con la serie di opzioni di antenne PCB disponibili, un team può aggiungere alla progettazione del sistema o personalizzare un'antenna a seconda dei requisiti elettrici e meccanici. Le progettazioni di antenne PCB spaziano da patch a microstriscia di base a combinazioni di patch a microstriscia, stripline e linee di trasmissione a guide d'onda coplanari (CPW). Alcune progettazioni possono combinare tipi diversi di linee di trasmissione all'interno della stessa antenna PCB.

La scelta di una progettazione di antenna PCB dipende dall'applicazione. Un mouse wireless non richiede le stesse gamma RF e trasmissione dati di altri tipi di applicazioni. Sensori e dispositivi collegati all'Internet of Things richiedono gamme RF più ampie e trasmissioni di dati più elevate. Le progettazioni di antenne PCB più recenti presentano una copertura di banda dual-band e a frequenza multipla come risposta alle applicazioni di sistema che richiedono gamme di frequenza a banda larga o applicazioni multiple servite dalla stessa antenna.

A causa della variazione nelle gamme RF, le progettazioni che hanno gli stessi requisiti di potenza hanno spesso layout diversi e applicano principi diversi per la progettazione di antenne. Indipendentemente dall'applicazione, la progettazione dell'antenna PCB e il layout RF hanno il maggiore impatto sulle prestazioni. In aggiunta, i designer di antenne PCB devono seguire le linee guida per il layout per le tracce RF, osservare le best practice per lo stackup e la messa a terra dei PCB, fornire il disaccoppiamento dell'alimentazione e selezionare i componenti passivi RF appropriati. Le differenze nei requisiti della progettazione e del prodotto stabiliscono la necessità per il software per la progettazione di antenne PCB.

Come esempio, alcune applicazioni ad alta frequenza che non richiedono un guadagno più elevato usano antenne PCB a monopolo che consistono di un patch a microstriscia formato su un lato da un circuito laminato separato mediante un dielettrico da un piano di terra più largo. Altre applicazioni possono richiedere un guadagno più elevato in alcune frequenze e usare configurazioni multi-strato. In entrambe le istanze, la lunghezza dell'onda della frequenza desiderata ha un rapporto diretto con la dimensione del patch.

La progettazione di una antenna PCB richiede un approccio fondamentale

La progettazione di antenne PCB inizia con lo stabilire parametri prestazionali fondamentali. Tali parametri includono:

  • Return loss
  • Larghezza di banda
  • Efficienza della radiazione
  • Modello della radiazione, e
  • Guadagno.

Ogni antenna PCB deve essere abbinata a un feed di segnale che abbia un'impedenza caratteristica tipica di 50 ohm. Il return loss di un'antenna indica la qualità della corrispondenza mostrando la quantità di potenza incidente (dB) riflessa dall'antenna a causa di una mancata corrispondenza. Un return loss infinito mostra che l'antenna corrisponde al feed del segnale. Le progettazioni di antenne perfette irradiano tutta l'energia senza alcuna riflessione. In generale, i team di progettazione definiscono un return loss di 10 dB come sufficiente; il 90% della potenza incidente viene trasmessa all'antenna per radiazione.

La larghezza di banda di un'antenna misura la risposta di frequenza dell'antenna. Per mettere tutto ciò in una prospettiva diversa, la larghezza di banda misura la capacità dell'antenna PCB di corrispondere il feed del segnale sull'intera banda di interesse. Quando si considera il funzionamento di un dispositivo BLE, le perdite maggiori si verificano a 2,33 GHz e 2,55 GHz, mentre le perdite minori e l'efficienza maggiore si verificano tra 2,40 GHz e 2,48 GHz. La maggior parte dei dispositivi di consumo usa una larghezza di banda più ampia per minimizzare l'effetto del detuning causato dall'ambiente operativo.

L'efficienza della radiazione descrive la quantità di potenza non riflessa dissipata come calore o perdita termica in un'antenna. L'efficienza al 100% della radiazione mostra che tutta la potenza non riflessa irradia in uno spazio sgombro. Nelle antenne PCB, la perdite termica si verifica attraverso la perdita dielettrica nel substrato FR4 e la perdita del conduttore nelle tracce. Le antenne PCB a fattore di forma ridotto mostrano la perdita termica più bassa e l'efficienza di radiazione più alta.

Oltre all'efficienza della radiazione, le antenne hanno una potenza di radiazione specifica. Il comportamento ideale delle antenne irradia la potenza in maniera equa in tutte le direzioni nel piano perpendicolare all'asse dell'antenna. La maggior parte delle antenne PCB ha un'efficienza della radiazione eccellente, ma meno di ideale, con i modelli omnidirezionali. Poiché il modello di radiazione mostra le direzioni caratterizzate dalla radiazione più elevata e più bassa, l'efficienza della radiazione mostra come orientare l'antenna per l'applicazione. Il guadagno (dBi) di un'antenna PCB misura la forza di radiazione nella direzione di interesse quando confrontata con il comportamento ideale.

Oltre a osservare tali parametri, le antenne PCB richiedono un piano di terra di dimensioni appropriate per offrire prestazioni ottimali. Dalla semplice prospettiva della progettazione, l'antenna si comporta come un risonatore LC. La frequenza di risonanza diminuisce con l'aumento dell'induttanza o della capacitanza. I piani di terra più grandi aumentano la capacitanza e riducono la frequenza di risonanza. Una messa a terra migliore consente anche di ottenere un return loss migliore. Stabilire la messa a terra corretta consente all'antenna PCB di offrire prestazioni migliori.

La progettazione di una antenna PCB mette di fronte a delle sfide

I team che cercano di progettare antenne PCB ad alte prestazioni si devono confrontare con numerose sfide diverse. Alcune applicazioni possono usare più antenne sia su lato trasmettitore che su lato ricevitore per migliorare le prestazioni di un sistema di antenne. Tuttavia, elementi dell'antenna molto vicini tra loro possono iniziare a interagire con l'accoppiamento reciproco. Ogni reazione tra gli elementi influisce sulla capacità dell'array di mantenere una buona corrispondenza dell'impedenza e causa una perdita di potenza. In aggiunta, 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 dell'alloggiamento sulla sensibilità dell'antenna. Spesso, la plastica usata per un alloggiamento avrà una costante dielettrica più elevata rispetto all'aria. La mancanza di uno spazio sufficiente tra l'antenna PCB e l'alloggiamento fa sì che l'antenna veda una costante dielettrica effettiva più elevata. 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 corrispondenza dell'antenna con l'alloggiamento in plastica definitivo adottato e il prodotto installato in uno scenario d'utilizzo tipico.

A frequenze elevate, l'impedenza di un circuito RF cambia quando misurata a distanze diverse dal carico. Anche la larghezza e lo spessore della traccia RF, lo spazio tra la traccia e la terra nonché il tipo di substrato influiscono sulla quantità di modifica dell'impedenza. In un'antenna PCB, i cavi coassiali, le linee della microstriscia e le guide d'onda coplanari funzionano come linee di trasmissione. Le prassi comuni implicano l'uso di un circuito passivo come rete di corrispondenza per trasformare l'impedenza delle caratteristiche della traccia RF e assicurare il trasferimento massimo di potenza tra la fonte di corrispondenza e le impedenze del carico.

L'uso di circuiti ad alta velocità all'interno dei prodotti elettronici che utilizzano antenne PCB aumenta il rischio di interferenza elettromagnetica ed emissioni irradiate. Il rumore di commutazione simultaneo (SSN) causato dal downscaling di circuiti integrati e dall'aumento delle frequenze di clock dei microprocessori provoca il self-jamming, o l'introduzione di segnali che influiscono negativamente sul rapporto segnale-rumore e distorcono il segnale trasmesso da un'antenna. Nello stesso modo, l'antenna può causare il self-jamming lungo le sue linee di trasmissione e degradare i segnali all'interno del PCB.

Cosa offre un buon software per circuiti stampati per la progettazione di antenne?

Il software per la progettazione di antenne PCB analizza in maniera accurata i filtri, le linee delle microstrisce e i componenti passivi che compongono un'antenna PCB. Il software aiuta anche nella fase di progettazione dell'antenna PCB mostrando gli strati metallici-dielettrici, i feed e i tipi di connettore. Per soddisfare i requisiti di progettazione moderni, il software di antenne PCB fornisce le proprietà geometriche ed elettriche dell'antenna per garantire prestazioni ottimali. La definizione di queste proprietà consente al software di modellare l'impedenza corretta dell'antenna e il modello di radiazione.

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

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

Altium Designer risolve le sfide legate alla progettazione di una antenna PCB

Il software per circuiti stampati Altium Designer offre l'Editor di schematici, l'Editor di PCB e strumenti di analisi dell'integrità del segnale per controllare e abbinare le impedenze necessarie per prestazioni coerenti dell'antenna PCB. L'Editor di schematici e l'Editor di PCB assicurano che la corrispondenza delle impedenze si verifichi dal pin di uscita al pin di ingresso desiderato. In aggiunta, gli Editor suggeriscono l'aggiunta di componenti di terminazione per raggiungere la corrispondenza nell'intero circuito e il disaccoppiamento dei condensatori o dei materiali usati per prevenire l'accoppiamento reciproco tra le antenne. I team di progettazione possono trovare i componenti corretti per supportare la progettazione di antenne PCB mediante librerie di database o Altium Vault.

Gli strumenti di analisi dell'integrità del segnale in Altium Designer identificano eventuali net che potrebbero avere livelli inaccettabili di riflessione. Gli strumenti predicono, inoltre, livelli potenziali di riflessione del segnale e diafonia, fornendo al tempo stesso un'analisi what-if di potenziali componenti di terminazione. La combinazione di Editor, Regole di progettazione e Route attivo assicurano che si verifichi il percorso di routing corretto per il segnale e che sussista un percorso ininterrotto per la corrente di ritorno sotto il percorso del segnale. Con queste tecniche, Altium Designer impedisce l'EMI e offre la migliore progettazione per prestazioni ottimali dell'antenna.

Sebbene il posizionamento di schermi su clock, microntroller e alimentatori a commutazione offra una soluzione per l'eliminazione dell'EMI, la schermatura bloccherà i segnali trasmessi senza coprire l'antenna PCB. Altium Designer può proteggere dal self-jamming mediante una combinazione di regole di progettazione per il routing e la sua funzione Route attivo. Le tracce di uscita dal clock devono correre sopra il piano di messa a terra per ridurre l'eventuale corrente indotta da campi RF vaganti e ridurre al minimo le aree di loop. Altium Designer assiste anche con l'eliminazione delle antenne net che possono causare il self-jamming attraverso il posizionamento ottimale dei piani di messa a terra. Qualsiasi piano di messa a terra posizionato direttamente sotto il clock forma un'antenna net.

Layer Stack Manager di Altium definisce gli strati usati in una progettazione di circuito stampato e regola i tipi di strati inclusi nello stack. Quando progettano un'antenna PCB, i team possono usare Layer Stack Manager per specificare il tipo di materiale, lo spessore e la costante dielettrica di ogni strato. Altium Designer include anche l'opzione di Larghezza basata sull'impedenza della caratteristica nella regola di progettazione Larghezza di routing. L'opzione applica un'equazione standard del settore per tradurre l'impedenza in un'impostazione della larghezza.

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

L'ambiente di progettazione unificato di Altium semplifica la progettazione dell’antenna PCB

Sebbene molte applicazioni software per la progettazione di antenne PCB offrano gli strumenti necessari, solo Altium Designer colloca gli strumenti per la creazione di schematici e circuiti stampati in un solo ambiente. Efficienti strumenti di progettazione come Layer Stack Manager e strumenti di analisi dell'integrità del segnale rispondono agli stessi menu, comandi e tasti funzione. La suite completa di strumenti presente all'interno dell'ambiente di progettazione unificato di Altium sposta i concetti dallo schematico al layout PCB alla documentazione di progettazione e alla fabbricazione e produzione.

Utilizzate il vostro software per circuiti stampati per realizzare Realizzate progettazioni sicure, indipendentemente da ciò che sono

Utilizzate il vostro software per circuiti stampati per realizzare progettazioni sicure, indipendentemente da ciò che sono.

Il software per circuiti stampati innovativo di Altium Designer è in grado di soddisfare qualsiasi esigenza potenziale di progettazione. Offrite alle vostre schede la sicurezza di essere trasferite alla produzione nella maniera più precisa e stabile possibile. Affidatevi ad Altium Designer per completare correttamente i vostri componenti elettronici.

Sull'Autore

Sull'Autore

Zachariah Peterson ha una vasta esperienza tecnica nel mondo accademico e industriale. Prima di lavorare nel settore dei PCB, ha insegnato alla Portland State University. Ha condotto la sua Fisica M.S. ricerche sui sensori di gas chemisorptivi e il suo dottorato di ricerca in fisica applicata, ricerca sulla teoria e stabilità del laser casuale. Il suo background nella ricerca scientifica abbraccia temi quali laser a nanoparticelle, dispositivi semiconduttori elettronici e optoelettronici, sistemi ambientali e analisi finanziaria. Il suo lavoro è stato pubblicato in diverse riviste specializzate e atti di conferenze e ha scritto centinaia di blog tecnici sulla progettazione di PCB per numerose aziende. Zachariah lavora con altre società del settore PCB fornendo servizi di progettazione e ricerca. È membro della IEEE Photonics Society e dell'American Physical Society.

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