Como Projetar uma Alimentação por Sonda Coaxial para uma Antena Patch

A implementação de uma antena patch em uma PCB requer conexão com outro componente ou módulo externo. Essa conexão é muito frequentemente colocada como uma linha de microfita, possivelmente com uma linha de correspondência de comprimento de onda de um quarto, como em arranjos de antenas patch para sistemas sem fio avançados. Existe outro método que envolve um conector coaxial SMA ou outro, mas não na mesma camada que a antena.

Antenas patch alimentadas por coaxial envolvem o uso de uma antena patch em um lado da PCB, enquanto a linha de alimentação é roteada no lado oposto da PCB. A conexão entre as duas camadas é implementada usando um via. Este artigo mostrará as principais equações de design para implementar este tipo de método de linha de alimentação, bem como um exemplo simples deste tipo de módulo.

Alimentação Coaxial para uma Antena Patch

A alimentação coaxial para uma antena de patch envolve a colocação da antena de patch e seu elemento de linha de alimentação em duas camadas diferentes. Normalmente, colocaríamos o patch na camada superior e a conexão da linha de alimentação na camada inferior. A linha de alimentação então se conectaria à PCB através de um conector coaxial SMD vertical (por exemplo, um conector SMA vertical como 73251-1350 da Molex), e um via interno encaminharia o sinal injetado para a antena de patch.

Como podemos ver acima, a coordenada onde a antena de patch se conecta ao via não está localizada no centro da antena. Isso é intencional porque a impedância da antena varia através da superfície da antena de patch. Portanto, queremos conectar a sonda em um local onde a impedância de entrada na antena corresponda à impedância do cabo/coaxial do conector. Para fazer isso, primeiro precisamos da impedância da antena na borda da antena, e podemos usar isso para determinar o local de alimentação.

Equações de Design de Alimentação Coaxial

O conjunto padrão de equações de design para antenas patch alimentadas na extremidade é usado para dimensionar o patch utilizado neste tipo de design. Após a conclusão, a localização da alimentação coaxial pode ser determinada. Para encontrar as equações de design para as dimensões do patch e a impedância do patch com alimentação lateral, pode-se consultar outro artigo (link abaixo). Você também pode usar nosso calculador de antena patch:

• Veja as equações de design de antena patch e o calculador

Uma vez que a impedância e o comprimento do patch tenham sido encontrados, estes precisam ser usados para determinar a localização da linha de alimentação inserida. Normalmente, estamos usando um cabo coaxial e um conector com impedância correspondente (normalmente para 50 Ohms). Esta é a nossa impedância alvo à qual gostaríamos de combinar a antena patch. Em algum local ao longo da direção x (veja abaixo), haverá um local particular onde a impedância da antena será de 50 Ohms. Esta é a localização onde a linha de alimentação será conectada.

A localização da coordenada x é encontrada com a equação mostrada abaixo.

Em resumo, o processo de design para a colocação da sonda coaxial é simples:

1. Selecione uma frequência de operação e empilhamento
2. Use a frequência e a espessura da camada/valor Dk para determinar o tamanho da antena
3. Calcule a impedância de entrada na borda para a antena
4. Use a equação acima para calcular a coordenada x para a localização da sonda

Como Projetar o Empilhamento

A primeira imagem acima implica que o único empilhamento permitido para este tipo de conexão é uma placa de 2 camadas, onde a antena está na camada superior e o plano de terra da antena está na camada inferior. Embora certamente possa ser usado um padrão de placa de 62 mil de espessura com 2 camadas, isso não é um requisito estrito. O benefício de usar mais de duas camadas vem da capacidade de usar componentes digitais e sinais de alta velocidade no lado oposto da PCB, enquanto a antena está isolada no lado oposto da PCB.

Dê uma olhada no exemplo de empilhamento abaixo. Neste empilhamento, poderíamos colocar GND em L2 e L3, pois isso permitiria a colocação e roteamento de sinais em L4. Quando a antena é colocada em L1, a espessura abaixo de L1 (4 mils neste caso) seria o valor usado para a espessura do substrato nas equações de design da antena patch. Mais camadas internas também poderiam ser usadas, se desejado.

Fazendo a Conexão em Ferramentas CAD

O exemplo abaixo usa o empilhamento de 4 camadas mostrado acima, com um conector SMA em L4 e a antena em L1; L2 e L3 são terra. Para fazer a conexão com a antena patch, um via deve ser colocado diretamente do centro do conector SMA, e ele deve ser preenchido + tampado para que o SMA possa ser soldado na almofada do via.

Este tipo de via será aceitável até cerca de 5 GHz. Além desse nível, a estrutura do via precisará ser otimizada para uma impedância alvo de 50 Ohm com vias de costura, o que pode afetar a propagação do sinal e os modos no interior da antena patch. Isso ocorre porque a impedância do via diverge, como discuti neste artigo.

Em um artigo e vídeo vindouros, mostrarei um exemplo de módulo que utiliza uma antena de patch para transmissão em alta frequência, e incluirá um conjunto de circuitos na camada traseira que usam a linha de alimentação pelo lado de trás da PCB. Também mostrarei como definir um estilo de via através da camada traseira que pode lidar com frequências muito mais altas no vídeo que está por vir.

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