Wbudowane projekty typu RF – anteny z mikroukładami ceramicznymi w porównaniu z antenami ścieżkowymi

Altium Designer
|  February 16, 2018
Wbudowane projekty typu RF – anteny z mikroukładami ceramicznymi w porównaniu z antenami ścieżkowymi

Interior of modern café

W ciągu ostatnich lat nastąpił znaczny wzrost tzw. kultury kawiarnianej, co spowodowało, że nowo otwierające się kawiarnie usilnie poszukują sposobu na wyróżnienie się i zwiększenie zainteresowania klientów swoją ofertą. Hybrydy kawiarni i księgarni, ekskluzywne kawiarnie z baristami mającymi wiedzę na temat odległych regionalnych ziaren, a nawet kawiarnie z kotami – to tylko kilka rodzajów miejsc tego typu, które miałem już okazję widzieć.

Ludzie chodzą do kawiarni z kilku kluczowych powodów: aby napić się lub coś zjeść, by spotkać się i porozmawiać z przyjaciółmi lub w końcu aby popracować trochę poza swoim biurem czy domem. I choć ważne jest to, co odróżnia od siebie konkretne kawiarnie, tak ich podstawowy cel pozostaje niemal niezmienny. To sytuacja zbliżona do wyboru pomiędzy różnymi opcjami komponentów w projektach płytek PCB.

Zapotrzebowanie na kompaktowe, wydajne i niedrogie rozwiązania z zakresu wbudowanych urządzeń nadawczo-odbiorczych typu RF rośnie już od lat razem z rozwojem robotyki, sztucznej inteligencji i koncepcją Internetu rzeczy. Faktem jest, że koszt, układ płytki, wytyczne dotyczące standardu pamięci DDR3 i wiedza specjalistyczna dalej pozostają kluczowymi aspektami, które mają realny wpływ na preferencje dotyczące wykorzystania anten ceramicznych i ścieżkowych na układach płytek drukowanych.

Anteny na płytkach PCB, czyli jak poznać swój zakres częstotliwości

W przeszłości inżynierowie projektujący płytki PCB rozważali kompromisy w zakresie docelowego zakresu częstotliwości i wybierali najbardziej niezawodną w tym aspekcie antenę ścieżkową. Nowoczesne i wbudowane anteny są przeznaczone do pracy w paśmie umieszczonym gdzieś pomiędzy 400 MHz a 5,5 GHz. Biorąc jednak pod uwagę coraz bardziej niezawodne, tanie i proste w implementacji anteny ceramiczne, konkurencja na tej płaszczyźnie zaczyna być naprawdę spora.

Faktem jest, że koszt zwykłej ścieżki z drutu na płytce drukowanej umieszczonej w systemie CAD jeszcze przed jej produkcją jest praktycznie minimalny. Pomimo niskich kosztów anten ścieżkowych, wciąż istnieje jednak wiele przypadków, kiedy to preferowane są anteny z mikroukładem ceramicznym. Ich wyższy koszt można zrekompensować niewielkim rozmiarem, łatwością wdrożenia i wysoką tolerancją na wszelkie zakłócenia środowiskowe.

Anteny ścieżkowe na układach PCB

Anteny ścieżkowe na płytkach drukowanych są bardzo trudne do zaprojektowania, wdrożenia i finalnego dostrojenia, szczególnie przy mniejszych i bardziej niezawodnych projektach. Podobnie jak w przypadku anteny przewodowej, rozmiar anteny ścieżkowej zależy przede wszystkim od docelowej szerokości zakresu częstotliwości, z którego chcemy korzystać. Przy niższych częstotliwościach antena ścieżkowa będzie musiała być o wiele dłuższa, aby integralność sygnału mogła odpowiednio rezonować.

Oto najważniejsze zalety wyboru anteny ścieżkowej na płytce PCB kosztem anteny ceramicznej:

  • Antena ścieżkowa zostaje wbudowana w płytkę PCB w trakcie procesu jej produkcji.

  • Po prawidłowym dostrojeniu, antena ścieżkowa może działać w szerokim paśmie częstotliwości, zapewniając przy tym wysoki stopień niezawodności i siłę sygnału sieci.

  • Anteny ścieżkowe mają stosunkowo wąski profil.

Wśród wad wykorzystania anten ścieżkowych na płytkach drukowanych można natomiast wyróżnić:

  • Trudności w ich projektowaniu, szczególnie przy niższych częstotliwościach. Anteny ścieżkowe są bardzo podatne na zmiany w układzie płytki drukowanej, co na dobrą sprawę wymaga dodatkowego strojenia, a niekiedy nawet przebudowy po niemal każdej, nawet najmniejszej zmianie układu.

  • Zajmują one więcej miejsca w porównaniu z anteną ceramiczną, szczególnie w przypadku niższych częstotliwości. Większa powierzchnia to natomiast wyższy koszt produkcji płytki PCB.

  • Anteny ścieżkowe są również o wiele bardziej podatne na wszelkiego rodzaju zakłócenia środowiskowe.

Antena ścieżkowa na płytce drukowanej nie może być fizycznie modyfikowana po jej wyprodukowaniu. W przypadku pojawienia się potrzeby zmiany, inżynier musi zmodyfikować projekt i ponownie wyprodukować płytkę PCB. Potencjalnie duży rozmiar płytki PCB z anteną ścieżkową, czasochłonność tworzenia takiego projektu i jego dostrajania, wymagające użycia stosownego oprogramowania do symulowania PCB i wykonania wielu testów, to najważniejsze powody, które mogą być motywacją do ostatecznego wykorzystania płytki drukowanej z anteną ceramiczną.

 SIM card on PCB with antenna attached

Co prawda Twoja antena może wyglądać inaczej, ale jej rozmiar i zakres częstotliwości dalej pozostaną problemem.

Anteny z mikroukładem ceramicznym

Anteny z mikroukładami ceramicznymi również wymagają strojenia z wykorzystaniem sieci, ale nie mają fizycznych właściwości anten ścieżkowych, których nie można modyfikować po wyprodukowaniu płytki. Eliminuje to na wstępie potrzebę wykorzystania oprogramowania do symulowania PCB i kosztownej produkcji nowych prototypów przy każdej, nawet najmniejszej zmianie, co powoduje marnowanie się dużej liczby komponentów.

Wśród najistotniejszych zalet anten z mikroukładem ceramicznym można wyróżnić:

  • Ich niewielki rozmiar i prosty proces konfiguracji.

  • Małą wrażliwość na zakłócenia wywołane hałasem z otoczenia, czy innymi sąsiadującymi komponentami.

  • Fakt, że wszelkie zmiany dotyczące projektu płytki drukowanej lub układu DDR są o wiele łatwiejsze do wdrożenia i nie wymagają dodatkowych symulacji. Antenę ceramiczną można również o wiele łatwiej dostroić, a nawet w całości wymienić.

Anteny ceramiczne mają też jednak swoje wady:

  • Ich wykorzystanie wymaga wyższego kosztu początkowego i dodatkowych komponentów pomocniczych. W chwili obecnej przeciętna antena z mikroukładem ceramicznym kosztuje od 50 groszy do nawet 6 złotych.

Antena ceramiczna to osobny komponent, który dodaje się do płytki PCB już po zakończeniu fazy jej projektowania. Cecha ta pozwala na zdecydowanie większą wszechstronność w zakresie produkcji układu. Co więcej, funkcja montażu powierzchniowego pozwala na łatwe pozbywanie się anten ceramicznych z płytki, jak również ich wymianę w celu szybkiego dostosowania układu do nowej specyfikacji.

Projektowanie układu z wykorzystaniem anteny ceramicznej pozwala inżynierowi uzyskać o wiele więcej dostępnej przestrzeni, co przydaje się przy uwzględnianiu w projekcie innych pożądanych komponentów. Przestrzeń tą można również wykorzystać w inny sposób – np. zmniejszając rozmiar samej płytki, co obniży koszty jej produkcji. To bardzo ważne przy projektach wielowarstwowych, w przypadku których inżynierowie przykładają szczególną uwagę do tego, by nie marnować dostępnej przestrzeni przez dodawanie osobnej anteny ścieżkowej do każdej warstwy płytki.

Abstract sound waves representing frequency and amplification
 
Upewnij się, że wykorzystujesz w swoim projekcie odpowiedni rodzaj anten, zarówno w aspekcie ich kosztu, jak i użyteczności. 

Bardzo trudno jest zaprojektować antenę o możliwie najmniejszym rozmiarze przy jednoczesnym krótkim czasie jej strojenia, maksymalnej sile sygnału i dodatkowo z dużą ilością wolnej przestrzeni na pozostałe komponenty. Niezależnie od tego, na który wariant ostatecznie się zdecydujemy, warto jest dokładnie przetestować ostateczny prototyp, co pozwoli dokonać wszelkich pomiarów, a także zbadać projekt pod kątem jego trwałości.

Jeśli strojenie anteny jest koniecznie, z pomocą przychodzi specjalistyczne oprogramowanie do PCB, dzięki któremu można robić to szybciej i łatwiej. Jeśli szukasz oprogramowania z najlepszymi funkcjami, takimi jak automatyczne trasowanie, dystrybucja mocy sieci, czy możliwość płynnej zmiany widoku z 2D na 3D, to Altium Designer® jest jednolitym środowiskiem projektowym stworzonym właśnie dla Ciebie.

Jeśli chciałbyś porozmawiać o tym, jaki rodzaj anteny jest najlepszym wyborem dla Twojego układu płytki drukowanej lub  dowiedzieć się więcej o aspektach projektowania PCB związanych z zakresem częstotliwości, skontaktuj się już teraz z ekspertem z Altium, który szczegółowo odpowie na wszystkie Twoje pytania. 

About Author

About Author

PCB Design Tools for Electronics Design and DFM. Information for EDA Leaders.

most recent articles

Back to Home