Come progettare un'alimentazione a sonda coassiale per un'antenna patch

L'implementazione di un'antenna a patch su un PCB richiede la connessione ad un altro componente o modulo esterno. Questa connessione è molto spesso realizzata come una linea a microstriscia, possibilmente con una linea di adattamento di un quarto di lunghezza d'onda, come nelle matrici di antenne a patch per sistemi wireless avanzati. Esiste un altro metodo che coinvolge un connettore coassiale SMA o altro, ma non sullo stesso strato dell'antenna.

Le antenne a patch alimentate coassialmente prevedono l'uso di un'antenna a patch su un lato del PCB, mentre la linea di alimentazione è posizionata sul retro del PCB. La connessione tra i due strati è realizzata utilizzando una via. Questo articolo mostrerà le principali equazioni di progettazione per implementare questo tipo di metodo di alimentazione, così come un semplice esempio di questo tipo di modulo.

Alimentazione Coassiale a un'Antenna a Patch

L'alimentazione coassiale di un'antenna patch comporta il posizionamento dell'antenna patch e del suo elemento di linea di alimentazione su due strati differenti. Normalmente, posizioneremmo la patch sullo strato superiore e il collegamento della linea di alimentazione sullo strato inferiore. La linea di alimentazione si connetterebbe quindi al PCB attraverso un connettore coassiale SMD verticale (ad esempio, un connettore SMA verticale come 73251-1350 di Molex), e un via interno instraderebbe il segnale iniettato all'antenna patch.

Come possiamo vedere sopra, la coordinata dove l'antenna patch si attacca al via non è situata al centro dell'antenna. Questo è intenzionale perché l'impedenza dell'antenna varia sulla superficie dell'antenna patch. Pertanto, vogliamo connettere la sonda in un punto in cui l'impedenza di ingresso nell'antenna corrisponda all'impedenza del cavo/coassiale. Per fare ciò, dobbiamo prima conoscere l'impedenza dell'antenna ai bordi dell'antenna, e possiamo usare questo per determinare la posizione di alimentazione.

Equazioni di Progettazione dell'Alimentazione Coassiale

L'insieme standard di equazioni di progettazione per le antenne patch alimentate a fine viene utilizzato per dimensionare la patch impiegata in questo tipo di progetto. Una volta completato questo passaggio, può essere determinata la posizione dell'alimentazione coassiale. Per trovare le equazioni di progettazione per le dimensioni della patch e l'impedenza della patch con alimentazione a bordo si può fare riferimento a un altro articolo (linkato di seguito). È possibile utilizzare anche il nostro calcolatore per antenne patch:

• Visualizza le equazioni di progettazione dell'antenna patch e il calcolatore

Una volta trovate l'impedenza e la lunghezza della patch, queste devono essere utilizzate per determinare la posizione della linea di alimentazione inserita. Normalmente, utilizziamo un cavo coassiale e un connettore con impedenza abbinata (normalmente a 50 Ohm). Questa è l'impedenza obiettivo a cui vorremmo abbinare l'antenna patch. In qualche punto lungo la direzione x (vedi sotto), ci sarà una posizione particolare in cui l'impedenza dell'antenna sarà di 50 Ohm. Questa è la posizione in cui verrà connessa la linea di alimentazione.

La posizione della coordinata x si trova con l'equazione mostrata di seguito.

In sintesi, il processo di progettazione per il posizionamento della sonda coassiale è semplice:

1. Seleziona una frequenza operativa e uno stackup
2. Utilizza la frequenza e lo spessore del layer/valore Dk per determinare la dimensione dell'antenna
3. Calcola l'impedenza di ingresso sul bordo per l'antenna
4. Usa l'equazione sopra per calcolare la coordinata x per la posizione della sonda

Come Progettare lo Stackup

La prima immagine sopra implica che l'unico stackup consentito per questo tipo di connessione sia un circuito a 2 strati, dove l'antenna si trova sullo strato superiore e il piano di massa dell'antenna si trova sullo strato inferiore. Sebbene possa certamente essere utilizzato un circuito standard a 2 strati con uno spessore di 62 mil, questo non è un requisito rigoroso. Il vantaggio nell'usare più di due strati deriva dalla possibilità di utilizzare componenti digitali e segnali ad alta velocità sul lato posteriore del PCB, mentre l'antenna è isolata sul lato opposto del PCB.

Dai un'occhiata all'esempio di stackup qui sotto. In questo stackup, potremmo posizionare GND su L2 e L3 poiché ciò consentirebbe la collocazione e il routing dei segnali su L4. Quando l'antenna è posizionata su L1, lo spessore sotto L1 (4 mils in questo caso) sarebbe il valore utilizzato per lo spessore del substrato nelle equazioni di progettazione dell'antenna patch. Potrebbero essere utilizzati anche più strati interni, se desiderato.

Stabilire la Connessione negli Strumenti CAD

L'esempio qui sotto utilizza lo stackup a 4 strati mostrato sopra, con un connettore SMA su L4 e l'antenna su L1; L2 e L3 sono terra. Per realizzare la connessione all'antenna patch, dovrebbe essere posizionato un via direttamente dal centro del connettore SMA, e questo dovrebbe essere riempito + sigillato in modo che l'SMA possa essere saldato sul pad del via.

Questo tipo di via sarà accettabile fino a circa 5 GHz. Oltre tale livello, la struttura del via dovrà essere ottimizzata a un'impedenza target di 50 Ohm con vias di cucitura, il che potrebbe influenzare la propagazione del segnale e le modalità all'interno dell'antenna patch. Questo perché l'impedenza del via diverge, come ho discusso in questo articolo.

In un prossimo articolo e video, mostrerò un esempio di modulo che utilizza un'antenna a patch per trasmettere ad alta frequenza, e includerà un insieme di circuiti sullo strato posteriore che utilizzano la linea di alimentazione attraverso il retro del PCB. Mostrerò anche come impostare uno stile di via attraverso lo strato posteriore che può gestire frequenze molto più elevate nel prossimo video.

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