Projektowanie anteny PCB dwuzakresowej: Utrzymanie EMI w ryzach

Jeśli urodziłeś się w latach 80. lub wcześniej, prawdopodobnie pamiętasz te stare, cegłopodobne telefony komórkowe i ich ogromne anteny. Przesuwając się do teraźniejszości, większość ludzi nawet nie zdaje sobie sprawy, że ich smartfony mają anteny. Proponowane projekty anten przeszły długą drogę od lat 80., a nowe anteny mogą wysyłać i odbierać sygnały w więcej niż jednym paśmie częstotliwości.

W miarę jak branża mobilna i IoT nadal się rozwija, urządzenia elektroniczne kontynuują korzystanie z protokołów komunikacji bezprzewodowej do wysyłania i odbierania danych. Te urządzenia będą musiały komunikować się w wielu pasmach częstotliwości, aby wykonywać swoje zadania, a nowe projekty anten będą nadal pojawiać się na PCB. Anteny dwupasmowe łączą dwie anteny w jednym module i pomogą Ci zaoszczędzić cenne miejsce w układzie PCB.

Anteny dwupasmowe w Twoim PCB

Antena dwupasmowa to antena, która może wysyłać i odbierać sygnały w dwóch różnych pasmach częstotliwości. Te anteny mogą działać na tych różnych częstotliwościach indywidualnie lub jednocześnie, w zależności od możliwości poszczególnej anteny. Standardowe projekty anten omnidirectionalnych, takie jak antena monopola, dipolowa lub szczelinowa, mogą być zmodyfikowane, aby wykazywać emisję dwupasmową.

PCB z modułem anteny dipolowej

Anteny dwuzakresowe na PCB, które mogą pracować na 2,4 GHz i 5,8 GHz, są już dostępne. Ten typ anteny pozwala urządzeniu działać zgodnie z różnymi standardami IEEE i rozszerza jego zakres możliwości komunikacyjnych poza WiFi. Niektóre telefony komórkowe używają komunikacji dwuzakresowej, która jest oddzielona od WiFi.

Zamiast wybierać gotowy moduł anteny z półki, antenę dwuzakresową można łatwo zintegrować z twoim urządzeniem. Zintegrowana antena może być bezpośrednio nadrukowana na PCB i ma niższe koszty produkcji i montażu w porównaniu z zewnętrznym modułem anteny. Ponieważ zewnętrzne moduły anten dwuzakresowych są drukowane na własnych PCB, projektowanie i drukowanie własnej zintegrowanej anteny może pomóc Ci utrzymać mniejszy rozmiar.

Jeśli projektowanie nadrukowanej anteny nie jest twoją mocną stroną, inną opcją, która pozwala zachować mały rozmiar, jest użycie ceramicznego chipa anteny dwuzakresowej w twoim układzie. Te chipy są niskokosztowe i dostępne są w wielu opcjach częstotliwości. Są również dopasowane impedancyjnie do 50 omów, spełniają standardy branżowe i mają wysokie wzmocnienie liniowe.

Nadrukowana antena dwuzakresowa

Drukowanie anteny dwuzakresowej bezpośrednio na płytce PCB może być wyzwaniem i istnieje wiele aspektów projektowych, które należy wziąć pod uwagę. Każde urządzenie z wysoką prędkością transferu danych musi przestrzegać standardowych wytycznych dotyczących projektowania wysokich prędkości.

Jeśli twoje urządzenie ma działać w szerokim zakresie temperatur, rozszerzalność/zmniejszanie objętości może spowodować zmianę rezonansowej częstotliwości anteny. To zmienia moc przesyłaną lub odbieraną na zamierzonej częstotliwości nośnej.

Jeśli użyjesz metalu o małym współczynniku rozszerzalności termicznej, możesz zminimalizować zmiany objętości. Ważne jest, aby dopasować współczynnik termiczny metalu i ścieżek do materiału płytki. Duża niezgodność może prowadzić do delaminacji lub pęknięć przy ekstremalnych temperaturach.

Po podjęciu decyzji o geometrii i zaplanowaniu projektu, będziesz musiał dopasować impedancję. Większość dostępnych komercyjnie anten jest już dopasowana do impedancji 50 omów na 2,4 GHz, i będziesz musiał zrobić to samo ze swoją niestandardową anteną. Każdą niezgodność impedancji między anteną a jej sterownikiem/odbiornikiem można skompensować za pomocą dwóch cewek i dwóch kondensatorów.

Podstawowa znajomość wykresu Smitha jest wymagana do dopasowania impedancji anten. Krótko mówiąc, wykres Smitha pomaga zwizualizować dokładne niedopasowanie impedancji między anteną a obciążeniem. Umieszczenie dławika i kondensatora będzie zależało od dokładnego niedopasowania między impedancją anteny a obciążeniem.

Jedna para kondensatora/dławika zostanie umieszczona szeregowo z anteną lub obciążeniem, a druga para zostanie umieszczona jako elementy równoległe. Dopasowanie impedancji jednego pasma wpływa na dopasowanie innego pasma, więc nie można dopasować impedancji poszczególnych pasm sekwencyjnie. Umieszczenie elementów szeregowych i równoległych wymaga pewnej próby i błędu oraz odrobiny doświadczenia.

Kiedy mówisz, że jesteś dzieckiem w sercu, mam nadzieję, że to nie przekłada się na twoje projekty PCB

Samozakłócenia EMI

Jeśli nie zostaną wdrożone środki kontroli EMI w twojej płytce PCB, twoja antena może powodować samozakłócenia. Samozakłócenia występują, gdy element promieniujący (tak jak oscylator promieniujący) indukuje sygnał gdzieś w obwodzie. Pogarsza to stosunek sygnału do szumu i może zniekształcić sygnał wysyłany z anteny nadawczej. Termin ten został po raz pierwszy użyty jako „samotłumienie” w społeczności radiowej FM i, bardziej niedawno, był poważnym problemem w chipach RFID.

Komponenty elektroniczne na twojej płytce PCB, takie jak zegary, mikrokontrolery i przetwornice impulsowe, mogą powodować samozakłócenia w twojej płytce PCB i pogarszać jedną lub obie sygnały wysyłane i odbierane przez twoją antenę dwuzakresową. Wyższe harmoniczne w którymkolwiek z tych komponentów mogą generować niechciane emisje zakłócające sygnał anteny. Podobnie, twoja antena może powodować samozakłócenia w tych komponentach i może pogarszać sygnały w reszcie twojej płytki PCB.

W zależności od rozmieszczenia komponentów na twojej płytce PCB, ekranowanie może być jedną z opcji zapobiegania samozakłóceniom. Należy uważać, aby nie ekranować samej anteny, ponieważ sygnały wysyłane będą blokowane przez ekranowanie i nigdy nie dotrą do celu. Jeśli forma twojego urządzenia na to pozwala, krytyczne komponenty, takie jak mikrokontrolery i elektronika wspierająca twoją antenę, mogą być ekranowane, podczas gdy twoja antena pozostaje nieekranowana na tej samej płytce.

Umieszczanie ekranowania może nie być odpowiednie dla wszystkich projektów, szczególnie gdy układ jest bardzo skomplikowany. Gdy projekt jest ograniczony przez formę, istnieje wiele praktyk projektowych, które mogą pomóc zmniejszyć podatność na samozakłócenia i na EMI ogólnie.

Szczególnie ważne jest umieszczenie zegara i jego płaszczyzny masy. Ważne jest, aby prowadzić ścieżki wyjściowe z zegara nad jego płaszczyzną masy, aby zminimalizować obszar pętli, ponieważ redukuje to wszelkie indukowane prądy spowodowane przez błądzące pola RF. Jednak płaszczyzna masy nie powinna być umieszczona bezpośrednio pod samym zegarem, ponieważ tworzy to antenę typu center-fed patch. Eliminowanie tego rodzaju anten sieciowych jest jednym z najlepszych sposobów na zapobieganie samozakłóceniom.

Zaawansowane funkcje i obszerna biblioteka komponentów, które pozwalają na implementację anten dwuzakresowych w projekcie PCB, Altium Designer może wspierać Twoje projektowanie. Posiada również doskonałe narzędzia CAD, które pozwalają na zaprojektowanie własnej anteny dwuzakresowej.

Jeśli jesteś zainteresowany dowiedzeniem się więcej o projektowaniu z antenami dwuzakresowymi, porozmawiaj już dziś z ekspertem Altium Designer.