Progettazione di Antenne PCB Dual-Band: Mantenere l'EMI Sotto Controllo

Se sei nato negli anni '80 o prima, probabilmente ricordi quei vecchi cellulari a mattonella con le loro enormi antenne. Avanzando velocemente al presente, la maggior parte delle persone non si rende nemmeno conto che i loro smartphone hanno antenne. I progetti di antenne proposti sono migliorati molto dagli anni '80, e le nuove antenne possono trasmettere e ricevere in più di una banda di frequenza.

Man mano che l'industria mobile e dell'IoT continua a progredire, i dispositivi elettronici continuano a utilizzare protocolli di comunicazione wireless per inviare e ricevere dati. Questi dispositivi dovranno comunicare in più bande di frequenza per svolgere il loro lavoro e i nuovi progetti di antenne continueranno a fare la loro comparsa nei PCB. Le antenne dual band integrano due antenne in un unico modulo e ti aiuteranno a risparmiare spazio prezioso nel layout del tuo PCB.

Antenne Dual-band nel Tuo PCB

Un'antenna dual band è un'antenna che può trasmettere e ricevere in due diverse bande di frequenza. Queste antenne possono operare su queste diverse frequenze individualmente o simultaneamente, a seconda delle capacità dell'antenna individuale. I progetti standard di antenne omnidirezionali, come un monopolo, un dipolo o un'antenna a fessura, possono essere modificati per mostrare l'emissione dual-band.

PCB con un modulo antenna dipolo

Le antenne dual-band su PCB sono già disponibili e possono operare a 2.4 GHz e 5.8 GHz. Questo tipo di antenna permette a un dispositivo di operare secondo diversi standard IEEE e amplia il suo raggio di capacità di comunicazione oltre il WiFi. Alcuni telefoni cellulari utilizzano la comunicazione dual-band che è separata dal WiFi.

Invece di selezionare un modulo antenna preconfezionato, un'antenna dual-band può essere facilmente integrata nel tuo dispositivo. Un'antenna integrata può essere stampata direttamente sul PCB e ha costi di produzione e assemblaggio inferiori rispetto a un modulo antenna esterno. Poiché i moduli antenna dual-band esterni sono stampati sui loro propri PCB, progettare e stampare la tua antenna integrata può aiutarti a mantenere un fattore di forma più piccolo.

Se progettare un'antenna stampata non è il tuo forte, un'altra opzione che mantiene il fattore di forma ridotto è l'uso di un'antenna dual-band in chip ceramico nel tuo layout. Questi chip hanno un costo basso e sono disponibili molte opzioni di frequenza. Sono anche adattati in impedenza a 50 Ohm, rispettano gli standard del settore e hanno un guadagno lineare elevato.

Antenna Dual-band Stampata

Stampare un'antenna a doppia banda direttamente sul tuo PCB può essere impegnativo e ci sono diversi aspetti di progettazione che dovrebbero essere considerati. Qualsiasi dispositivo con un alto tasso di trasferimento dati deve seguire gli standard linee guida per il design ad alta velocità.

Se il tuo dispositivo deve operare su un ampio intervallo di temperature, l'espansione/contrazione del volume può causare un cambiamento nella frequenza di risonanza dell'antenna. Questo cambia la potenza trasmessa o ricevuta alla frequenza portante prevista.

Se utilizzi un metallo che ha un piccolo coefficiente di espansione termica, puoi minimizzare i cambiamenti di volume. È importante abbinare il coefficiente termico del tuo metallo e delle tue tracce a quello del materiale del circuito stampato. Una grande discrepanza può portare a delaminazione o frattura a temperature estreme.

Una volta decisa la geometria e pianificato il tuo design, dovrai abbinare l'impedenza. La maggior parte delle antenne disponibili commercialmente sono già abbinate a un'impedenza di 50 Ohm a 2,4 GHz, e dovrai fare lo stesso con la tua antenna personalizzata. Qualsiasi disadattamento di impedenza tra l'antenna e il suo driver/ricevitore può essere compensato utilizzando due induttori e due condensatori.

La comprensione di base di un Diagramma di Smith è necessaria per l'adattamento dell'impedenza delle antenne. In breve, un Diagramma di Smith aiuta a visualizzare l'esatta discrepanza di impedenza tra un'antenna e un carico. Il posizionamento dell'induttore e del condensatore dipenderà dalla precisa discrepanza tra l'impedenza dell'antenna e quella del carico.

Una coppia di condensatore/induttore sarà posizionata in serie con l'antenna o il carico, e l'altra coppia sarà posizionata come elementi shunt. L'adattamento dell'impedenza di una banda influisce sull'adattamento dell'altra banda, quindi non è possibile adattare l'impedenza di ciascuna banda in modo sequenziale. Posizionare i vostri elementi in serie e shunt richiede un po' di tentativi ed errori e un po' di esperienza.

Quando dici di essere un bambino nel cuore, spero che ciò non si traduca nei tuoi progetti di PCB

Auto-Interferenza EMI

Se non vengono implementate misure per controllare l'EMI nel tuo PCB, la tua antenna potrebbe causare auto-interferenza. L'auto-interferenza si verifica quando un elemento radiante (come un oscillatore radiante) induce un segnale da qualche parte nel circuito. Questo degrada il rapporto segnale/rumore e può distorcere il segnale inviato da un'antenna trasmittente. Questo fenomeno è stato inizialmente definito "auto-silenziazione" nella comunità delle radio FM e, più recentemente, è stato un serio problema nei chip RFID.

I componenti elettronici sulla tua PCB, come orologi, microcontrollori e alimentatori switching, possono causare auto-interferenza nella tua PCB e degradare uno o entrambi i segnali inviati e ricevuti dalla tua antenna a doppia banda. Le armoniche di ordine superiore in uno qualsiasi di questi componenti possono produrre emissioni indesiderate che interferiscono con il segnale dell'antenna. Allo stesso modo, la tua antenna può causare auto-interferenza in questi componenti e può degradare i segnali nel resto della tua PCB.

A seconda della disposizione dei componenti sulla tua PCB, la schermatura può essere un'opzione per prevenire l'auto-interferenza. Fai attenzione a non schermare l'antenna stessa, poiché i segnali trasmessi saranno bloccati dalla schermatura e non raggiungeranno mai la loro destinazione. Se il tuo fattore di forma lo consente, componenti critici come microcontrollori e l'elettronica che supporta la tua antenna possono essere schermati, mentre la tua antenna è lasciata non schermata sulla stessa scheda.

Posizionare la schermatura potrebbe non essere appropriato per tutti i progetti, specialmente quando il layout è molto complicato. Quando il design è vincolato dal fattore di forma, ci sono un numero di pratiche di progettazione che possono aiutare a ridurre la suscettibilità all'auto-interferenza e all'EMI in generale.

Di particolare importanza è il posizionamento del tuo orologio e del suo piano di massa. È importante far passare le tracce di uscita del tuo orologio sopra il suo piano di massa per minimizzare l'area del loop, poiché ciò riduce qualsiasi corrente indotta a causa di campi RF vaganti. Tuttavia, il piano di massa non dovrebbe essere posizionato direttamente sotto l'orologio stesso poiché ciò forma un'antenna patch alimentata al centro. Eliminare questo tipo di antenne nette è uno dei migliori modi per prevenire l'auto-jamming.

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