Najlepsze oprogramowanie do projektowania anten PCB ułatwia implementację anteny

Projektowanie anten na płytce drukowanej może być trudnym zadaniem dla dowolnego oprogramowania; jednakże nie powinno to stanowić problemu dla

Altium Designer, który może służyć jako Twoje główne oprogramowanie do projektowania anten BLE i nie tylko.

ALTIUM DESIGNER

Zapewnienie, że Twoje projekty anten są umieszczane bez problemów

Popyt ze strony konsumentów i przemysłu spowodował zapotrzebowanie na mniejsze urządzenia bezprzewodowe. Urządzenia te wspierają technologie noszone, aplikacje Bluetooth Low Energy (BLE), systemy komunikacji osobistej, aplikacje Internetu Rzeczy (IoT), technologie medyczne, zaawansowane systemy wspomagania kierowcy w motoryzacji oraz inne innowacyjne technologie. Każda z tych aplikacji i inne wymagają anten PCB, które redukują fizyczny rozmiar i koszty, jednocześnie utrzymując wydajność. Ponadto, projekty anten PCB muszą również odpowiadać na wymagania częstotliwościowe, które wahają się od typowego pasma 2,4 GHz do częstotliwości fal milimetrowych.

Zamiast używać trójwymiarowego przewodu, który rozciąga się nad płytką PCB lub anteną chipową, oprogramowanie do projektowania anten PCB składa się z ścieżki narysowanej na Drukowanej Płytce Drukowanej. W zależności od typu anteny i ograniczeń przestrzennych, typy ścieżek używanych dla projektanta anten PCB obejmują proste ścieżki, ścieżki typu odwróconego F, meandryczne ścieżki, okrągłe ścieżki lub zakrzywioną ścieżkę z falami. Dwuwymiarowa struktura anteny PCB wymaga solidnego oprogramowania do projektowania anten, takiego jak Altium Designer, aby zapewnić, że struktura spełnia specyfikacje podane przez producenta.

Najlepsze oprogramowanie do symulacji anten PCB dopasowuje innowacje do zastosowania

Producenci mogą oferować anteny PCB jako już wyprodukowane komponenty, które zawierają kable i złącza. Mając do dyspozycji szereg dostępnych opcji anten PCB (np. projektowanie anten BLE, antena IoT itp.), zespół może dodać do projektu systemu lub dostosować antenę zgodnie z wymaganiami elektrycznymi i mechanicznymi. Projekty anten PCB wahają się od podstawowych łatek mikropaskowych po kombinacje łatek mikropaskowych, linii paskowych i linii transmisyjnych falowodu współpłaszczyznowego (CPW). Niektóre projekty mogą łączyć różne typy linii transmisyjnych w ramach tej samej anteny PCB.

Wybór oprogramowania do projektowania anten PCB zależy od zastosowania. Bezprzewodowa mysz nie wymaga takiego samego zasięgu RF i szybkości transmisji danych, jakie mogą być potrzebne w innych aplikacjach. Czujniki i urządzenia podłączone do Internetu Rzeczy wymagają większych zasięgów RF i wyższych szybkości transmisji danych. Nowe projekty anten PCB oferują pokrycie dwuzakresowe i wielozakresowe jako odpowiedź na aplikacje systemowe wymagające szerokopasmowych zakresów częstotliwości lub wielu aplikacji obsługiwanych przez tę samą antenę.

Z powodu różnorodności zakresów RF, projekty o tych samych wymaganiach mocy często mają różne układy i stosują różne zasady projektowania anten. Niezależnie od zastosowania, projekt anteny i układ RF mają największy wpływ na wydajność. Ponadto, oprogramowanie do symulacji anten PCB musi przestrzegać wytycznych dotyczących układu ścieżek RF, stosować najlepsze praktyki w zakresie stosowania warstw PCB i uziemienia, zapewniać odciążenie zasilania oraz składać się z odpowiednich pasywnych komponentów RF. Różnice w projektowaniu i wymaganiach produktu uzasadniają potrzebę oprogramowania do projektowania anten PCB.

Na przykład, niektóre aplikacje wysokoczęstotliwościowe, które nie wymagają wyższego wzmocnienia, używają anten PCB typu monopole, które składają się z mikropaska umieszczonego po jednej stronie laminatu obwodu, oddzielonego od większej płaszczyzny masy przez dielektryk. Inne aplikacje mogą wymagać wyższego wzmocnienia przy określonych częstotliwościach i używają konfiguracji wielowarstwowych. W obu przypadkach, długość fali docelowej częstotliwości roboczej ma bezpośredni związek z rozmiarem patcha.

Projektowanie anten PCB wymaga fundamentalnego podejścia

Projektowanie anten PCB zaczyna się od ustalenia kluczowych parametrów wydajności. Do tych parametrów należą

• Strata zwrotna
• Pasmo przenoszenia
• Skuteczność promieniowania
• Wzór promieniowania, oraz
• Wzmocnienie.

Każda antena musi być dopasowana do sygnału zasilającego, który ma typową impedancję charakterystyczną 50 omów. Strata zwrotna anteny wskazuje jakość dopasowania, pokazując ilość mocy padającej (dB) odbitej przez antenę z powodu niedopasowania. Nieskończona strata zwrotna pokazuje, że antena dopasowuje się do sygnału zasilającego. Idealne projekty anten promieniują całą energię bez żadnych odbić. Ogólnie, zespoły projektowe uznają stratę zwrotną na poziomie 10 dB za wystarczającą; 90% mocy padającej trafia do anteny w celu promieniowania.

Pasmo anteny mierzy odpowiedź częstotliwościową anteny. Aby spojrzeć na to z innej perspektywy, pasmo mierzy zdolność anteny do dopasowania sygnału wejściowego przez całe pasmo zainteresowania. Rozważając projektowanie anten BLE, największe straty występują przy 2,33 GHz i 2,55 GHz, podczas gdy najmniejsze straty i najlepsza efektywność mają miejsce między 2,40 GHz a 2,48 GHz. Większość urządzeń konsumenckich używa szerszego pasma, aby zminimalizować efekt rozstrojenia spowodowany przez środowisko operacyjne.

Efektywność promieniowania opisuje ilość mocy nienadajacej się do odbicia, która jest rozpraszana jako ciepło lub strata termiczna w antenie. 100 procent efektywności promieniowania oznacza, że cała moc nienadająca się do odbicia promieniuje w przestrzeń wolną. W projektach anten PCB, strata termiczna występuje przez stratę dielektryczną w substracie FR4 oraz stratę przewodnika w ścieżkach. Anteny PCB o małym formacie mają najmniejszą stratę termiczną i najwyższą efektywność promieniowania.

Wraz z efektywnością promieniowania, anteny mają określoną moc promieniowania. Idealne zachowanie anteny polega na równomiernym promieniowaniu mocy we wszystkich kierunkach w płaszczyźnie prostopadłej do osi anteny. Większość anten PCB charakteryzuje się doskonałą – choć nieidealną – efektywnością promieniowania z wzorcami kierunkowymi. Ponieważ wzorzec promieniowania pokazuje kierunki, które mają najwyższą i najniższą radiację, efektywność promieniowania pokazuje, jak zorientować antenę dla danej aplikacji. Wzmocnienie (dBi) anteny mierzy siłę promieniowania w kierunku zainteresowania w porównaniu do idealnego zachowania.

Obok obserwacji tych parametrów, anteny PCB wymagają odpowiednio dużego planu uziemienia dla optymalnej wydajności. Z prostego punktu widzenia projektowego, antena zachowuje się jak rezonator LC. Częstotliwość rezonansowa maleje wraz ze wzrostem indukcyjności lub pojemności. Większe plany uziemienia zwiększają pojemność i obniżają częstotliwość rezonansową. Lepsze uziemienie osiąga również lepszą stratę zwrotną. Ustalenie właściwego uziemienia pozwala projektantowi anten PCB na lepszą wydajność.

• Przeczytaj o antenach ceramicznych w porównaniu do anten śladowych PCB
• Dowiedz się więcej o projektowaniu anten BLE dla Twojej PCB
• Przeczytaj, jak używać anten GPS w swoim projekcie

Projektowanie anten PCB stawia wyzwania

Wiele różnych wyzwań staje przed zespołami dążącymi do zaprojektowania wysokowydajnych anten PCB. Niektóre aplikacje mogą używać wielu anten po obu stronach nadajnika i odbiornika, aby poprawić wydajność systemu antenowego. Jednakże, elementy anteny znajdujące się w bliskiej odległości od siebie mogą zacząć oddziaływać na siebie nawzajem przez wzajemne sprzężenie. Każda reakcja między elementami wpływa na zdolność układu do utrzymania dobrego dopasowania impedancji i marnuje moc. Ponadto, sprzężenie elektromagnetyczne zakłóca wzór promieniowania anteny, ogranicza zysk i wpływa na częstotliwość rezonansową.

Kolejne wyzwanie wiąże się z wpływem obudowy na czułość anteny. Wiele razy, plastik używany na obudowę będzie miał wyższą stałą dielektryczną niż powietrze. Brak wystarczającej przestrzeni między anteną a obudową powoduje, że antena widzi wyższą efektywną stałą dielektryczną. W rezultacie, elektryczna długość anteny wzrasta, a częstotliwość rezonansowa maleje. Zespoły projektowe powinny zawsze weryfikować wydajność sieci dopasowującej antenę z ostateczną plastikową obudową na miejscu i produktem zainstalowanym w typowym scenariuszu użytkowania.

Na wysokich częstotliwościach impedancja obwodu RF zmienia się, gdy jest mierzona w różnych odległościach od obciążenia. Szerokość i grubość ścieżki RF, odstęp między ścieżką a masą oraz rodzaj podłoża również wpływają na wielkość zmiany impedancji. W projektowaniu anteny PCB, kable koncentryczne, linie mikropaskowe i falowody koplanarne pełnią funkcję linii transmisyjnych. Powszechną praktyką jest używanie pasywnego obwodu jako sieci dopasowującej w celu przekształcenia charakterystycznej impedancji ścieżki RF oraz zapewnienia maksymalnego transferu mocy między dopasowanymi impedancjami źródła i obciążenia.

Użycie szybkich obwodów w produktach elektronicznych wykorzystujących anteny PCB zwiększa ryzyko wystąpienia zakłóceń elektromagnetycznych i emisji promieniowanej. Jednoczesny szum przełączania (SSN) spowodowany miniaturyzacją układów scalonych i zwiększonymi częstotliwościami zegarów mikroprocesorów prowadzi do samozakłóceń – czyli wprowadzenia sygnałów, które negatywnie wpływają na stosunek sygnału do szumu i zniekształcają sygnał nadawany przez antenę. W ten sam sposób, antena może powodować samozakłócenia wzdłuż swoich linii transmisyjnych i pogarszać sygnały na całej płytce PCB.

Co zapewnia dobre oprogramowanie do projektowania anten?

Oprogramowanie do projektowania anten PCB dokładnie analizuje filtry, linie mikropaskowe i pasywne komponenty tworzące antenę PCB. Program wspomaga również projektowanie anten PCB, wyświetlając warstwy metalowo-dielektryczne, zasilania i typy złączy. Aby sprostać nowoczesnym wymaganiom projektowym, oprogramowanie do symulacji anten PCB dostarcza geometrię i właściwości elektryczne anteny dla optymalnej wydajności. Ustalenie tych właściwości pozwala oprogramowaniu modelować poprawną impedancję anteny i wzorzec promieniowania.

• Wykorzystaj zasady projektowania dla anteny typu inverted-F w swoim projekcie PCB
• Zachowaj kontrolę nad EMI dzięki projektowi anteny dwupasmowej
• Dowiedz się więcej o używaniu hybrydowych lub kompaktowych anten fraktalnych

Analiza i symulacja to tylko części procesu projektowego

Altium Designer rozwiązuje wyzwania związane z antenami na płytach obwodów drukowanych

Altium Designer zapewnia Edytor Schematów, Edytor PCB oraz narzędzia do analizy integralności sygnału, niezbędne do kontrolowania i dopasowywania impedancji potrzebnych dla spójnej wydajności anteny PCB. Edytor Schematów i Edytor PCB zapewniają, że dopasowanie impedancji ma miejsce od pinu wyjściowego do docelowego pinu wejściowego. Ponadto, Edytory sugerują dodanie komponentów końcowych w celu osiągnięcia dopasowania w całym obwodzie oraz kondensatorów sprzęgających lub materiałów używanych do zapobiegania wzajemnemu sprzężeniu między antenami PCB. Zespoły mogą znaleźć odpowiednie komponenty wspierające na przykład projekt anteny BLE poprzez biblioteki baz danych lub Altium Vault.

Narzędzia do analizy integralności sygnału w Altium Designer identyfikują wszystkie sieci, które mogą mieć nieakceptowalne poziomy odbić. Narzędzia te przewidują również potencjalne poziomy odbić sygnału i przeplotu, jednocześnie oferując analizę typu "co jeśli" potencjalnych komponentów zakończeniowych. Połączenie Edytorów, Reguł Projektowych i Aktywnego Trasowania zapewnia, że wybrana ścieżka trasowania dla sygnału jest poprawna i że istnieje nieprzerwana ścieżka dla prądu powrotnego pod trasą sygnału. Dzięki tym technikom, Altium Designer zapobiega EMI i zapewnia najlepsze projektowanie dla optymalnej wydajności anteny PCB.

Umieszczanie osłon na zegarach, mikrokontrolerach i przetwornicach mocy stanowi jedno z rozwiązań eliminujących EMI, jednak każda osłona blokuje przesyłane sygnały i nie powinna pokrywać projektu anteny PCB. Altium Designer może chronić przed samozakłóceniami, łącząc reguły projektowania dla trasowania i jego funkcję Aktywnego Trasowania. Ścieżki wyjściowe z zegara powinny przebiegać nad płytą uziemiającą, aby zmniejszyć jakikolwiek prąd indukowany przez błądzące pola RF i zminimalizować obszary pętli. Altium Designer pomaga również eliminować anteny PCB, które mogą powodować samozakłócenia poprzez optymalne umieszczanie płyt uziemiających. Każda płyta uziemiająca umieszczona bezpośrednio pod zegarem tworzy antenę sieciową.

Menadżer Stosu Warstw firmy Altium definiuje warstwy używane w projektowaniu Płyt Drukowanych i zarządza typami warstw wchodzącymi w skład stosu. Podczas projektowania anteny PCB, zespoły mogą używać Menadżera Stosu Warstw do określenia każdej warstwy pod kątem rodzaju materiału, grubości i stałej dielektrycznej. Altium Designer zawiera również opcję Szerokość Prowadzenia Ustalaną przez Charakterystyczną Impedancję w regule projektowej szerokości prowadzenia. Opcja ta stosuje standardowe równanie branżowe do przekształcenia impedancji na ustawienie szerokości.

Altium Designer oferuje również narzędzia do projektowania PCB w 3D, które pozwalają zespołom zobaczyć wpływ danych mechanicznych na antenę PCB. Zespoły projektowe mogą importować model komponentu do edytora biblioteki i obudowę do Edytora PCB, aby przeprowadzić dokładne testy kolizji. Ponieważ Altium Designer umożliwia współpracę ECAD i MCAD, oprogramowanie pozwala zespołom pracować z zewnętrznymi ograniczeniami fizycznymi i wybrać odpowiedni kształt płytki. Dzięki tym narzędziom, zespoły projektowe dokonują potrzebnych dostosowań dla obwodów i obudów, aby upewnić się, że plastik nie wpływa na stałą dielektryczną.

Zjednoczone Środowisko Projektowe firmy Altium Ułatwia Projektowanie Anten PCB

Chociaż wiele aplikacji do symulacji anten PCB oferuje potrzebne narzędzia, Altium Designer umieszcza narzędzia schematyczne i do projektowania płytek obwodów w jednym środowisku. Potężne narzędzia projektowe, takie jak Menedżer Stosu Warstw i narzędzia do analizy integralności sygnału, reagują na te same menu, polecenia i klawisze funkcyjne. Kompletny zestaw narzędzi znajdujący się w zintegrowanym środowisku projektowym Altium przenosi koncepcje od schematu, przez układ PCB, dokumentację projektową, aż po produkcję i fabrykację.

• Dowiedz się więcej o definicjach stosu warstw dla twoich płytek obwodów w Altium Designer.
• Dowiedz się więcej o interaktywnym trasowaniu w Altium Designer.
• Dowiedz się więcej o inteligentnym umieszczaniu komponentów w Altium Designer.

Bądź pewny swoich projektów, bez względu na to, czym są.

Innowacyjne oprogramowanie Altium Designer jest zdolne do osiągnięcia i przekroczenia wszelkich możliwych potrzeb projektowych, w tym projektowania anten BLE, urządzeń medycznych, projektów IoT itp. Zapewnij swoim płytkom obwodów bezpieczeństwo przekazania do produkcji w najbardziej dokładny i stabilny sposób. Zaufaj Altium Designer, aby Twoje projekty elektroniczne były wykonane prawidłowo.