Лучшее программное обеспечение для проектирования антенн на печатных платах упрощает реализацию антенны

Проектирование антенн на печатных платах может быть сложной задачей для любого программного обеспечения; однако это не должно быть проблемой для Altium Designer, который может служить вашим основным программным обеспечением для проектирования антенн BLE и многого другого.

ALTIUM DESIGNER

Обеспечение безпроблемного размещения ваших антенн

Потребности потребителей и промышленности способствовали спросу на более маленькие беспроводные устройства. Эти устройства поддерживают технологии носимых устройств, приложения Bluetooth Low Energy (BLE), системы личной связи, приложения Интернета вещей (IoT), медицинские технологии, системы помощи водителю передового уровня в автомобилестроении и другие инновационные технологии. Каждое из этих и других приложений требует антенн на печатных платах, которые уменьшают физический размер и стоимость, сохраняя при этом производительность. Кроме того, проекты антенн на печатных платах также должны соответствовать требованиям к частотам, которые варьируются от типичной полосы 2,4 ГГц до частот миллиметрового диапазона.

Вместо использования трехмерного провода, который тянется над печатной платой или чип-антенной, программное обеспечение для проектирования антенн на печатных платах состоит из следа, нарисованного на печатной плате. В зависимости от типа антенны и ограничений по пространству, типы следов, используемых для проектирования антенн на ПП, включают прямые следы, следы типа "инвертированная F", извилистые следы, круглые следы или изогнутые следы с изгибами. Двумерная структура антенны на ПП требует использования надежного программного обеспечения для проектирования антенн, такого как Altium Designer, чтобы обеспечить соответствие структуры спецификациям, предоставленным производителем.

Лучшее программное обеспечение для симуляции антенн на ПП соответствует инновациям и применению

Производители могут предлагать антенны на ПП как уже изготовленные компоненты, включающие кабели и разъемы. С учетом множества доступных вариантов антенн на ПП (например, дизайн антенн BLE, антенна для IoT и т.д.), команда может добавить в системный дизайн или настроить антенну в соответствии с электрическими и механическими требованиями. Дизайны антенн на ПП варьируются от базовых микрополосковых патчей до комбинаций микрополосковых патчей, полосковых линий и линий передачи с совместной плоскостью (CPW). Некоторые дизайны могут сочетать различные типы линий передачи в рамках одной и той же антенны на ПП.

Выбор программного обеспечения для проектирования антенн ПП плат зависит от применения. Беспроводной мыши не требуется такой же диапазон РЧ и скорость передачи данных, какие могут потребоваться в других приложениях. Датчики и устройства, подключенные к Интернету вещей, требуют больших диапазонов РЧ и более высоких скоростей передачи данных. Новые конструкции антенн ПП плат предлагают двухдиапазонное и многодиапазонное покрытие в ответ на системные приложения, требующие широкополосных частотных диапазонов или нескольких приложений, обслуживаемых одной антенной.

Из-за разнообразия диапазонов РЧ, конструкции, имеющие одинаковые требования к мощности, часто имеют разные компоновки и применяют различные принципы проектирования антенн. Независимо от приложения, конструкция антенны и РЧ-компоновка оказывают наибольшее влияние на производительность. Кроме того, программное обеспечение для моделирования антенн ПП должно следовать руководящим принципам компоновки для РЧ-трасс, придерживаться лучших практик в стеке ПП и заземлении, обеспечивать развязку источника питания и состоять из подходящих РЧ пассивных компонентов. Различия в конструкции и требованиях к продукту определяют необходимость в программном обеспечении для проектирования антенн ПП.

В качестве примера, некоторые приложения высокой частоты, которым не требуется повышенное усиление, используют монопольные антенны на печатных платах, состоящие из микрополоскового патча, сформированного на одной стороне ламината схемы, отделённого от большей заземляющей плоскости диэлектриком. Другие приложения могут требовать более высокого усиления на определённых частотах и использовать многослойные конфигурации. В любом случае, длина волны целевой рабочей частоты имеет прямую связь с размером патча.

Дизайн антенны на печатной плате требует фундаментального подхода

Проектирование антенны на печатной плате начинается с установления ключевых параметров производительности. К этим параметрам относятся

• Потери на возврате
• Ширина полосы
• Эффективность излучения
• Диаграмма направленности, и
• Усиление.

Каждая антенна должна соответствовать сигнальной подаче, которая имеет типичное характеристическое сопротивление 50 ом. Потери на возврате антенны показывают качество согласования, отображая количество отражённой антенной мощности (в дБ) из-за несоответствия. Бесконечные потери на возврате показывают, что антенна соответствует сигнальной подаче. Идеальные конструкции антенн излучают всю энергию без каких-либо отражений. В целом, команды разработчиков считают потери на возврате в 10 дБ достаточными; 90 % входящей мощности передаётся антенне для излучения.

Ширина полосы антенны измеряет частотную характеристику антенны. Чтобы взглянуть на это с другой стороны, ширина полосы измеряет способность антенны согласовываться с сигналом на всей интересующей полосе частот. При рассмотрении дизайна антенны BLE наибольшие потери происходят на частотах 2,33 ГГц и 2,55 ГГц, в то время как наименьшие потери и лучшая эффективность наблюдаются в диапазоне от 2,40 ГГц до 2,48 ГГц. Большинство потребительских устройств используют более широкую полосу пропускания для минимизации эффекта детюнинга, вызванного рабочей средой.

Эффективность излучения описывает количество нерефлектированной мощности, рассеиваемой в виде тепла или тепловых потерь в антенне. 100 процентов эффективности излучения показывает, что вся нерефлектированная мощность излучается в свободное пространство. В дизайне антенн на печатных платах тепловые потери происходят за счет диэлектрических потерь в субстрате FR4 и потерь проводимости в дорожках. Антенны на печатных платах с малым форм-фактором имеют наименьшие тепловые потери и наивысшую эффективность излучения.

Вместе с эффективностью излучения антенны имеют определенную мощность излучения. Идеальное поведение антенны предполагает равномерное излучение мощности во всех направлениях в плоскости, перпендикулярной оси антенны. Большинство антенн на печатных платах обладают отличной, хоть и не идеальной, эффективностью излучения с всенаправленными характеристиками. Поскольку диаграмма направленности показывает направления с наивысшим и наименьшим излучением, эффективность излучения указывает, как ориентировать антенну для приложения. Усиление (dBi) антенны измеряет силу излучения в интересующем направлении по сравнению с идеальным поведением.

Вместе с наблюдением за этими параметрами, антенны на печатных платах требуют правильного размера заземляющей плоскости для оптимальной работы. С точки зрения простого дизайна, антенна ведет себя как LC резонатор. Резонансная частота уменьшается с увеличением индуктивности или емкости. Большие заземляющие плоскости увеличивают емкость и уменьшают резонансную частоту. Лучшее заземление также обеспечивает лучшее возвращение потерь. Установление правильного заземления позволяет дизайнеру антенн на печатных платах достичь лучшей производительности.

• Читайте о керамических чип-антеннах против антенн на печатных платах
• Узнайте о дизайне антенн BLE для вашей печатной платы
• Читайте, как использовать GPS-антенны в вашем дизайне

Дизайн антенн на печатных платах представляет вызовы

Команды, стремящиеся разработать высокопроизводительные антенны для печатных плат, сталкиваются с несколькими различными проблемами. Некоторые приложения могут использовать несколько антенн как на стороне передатчика, так и на стороне приемника для улучшения производительности антенной системы. Однако элементы антенны, находящиеся в непосредственной близости друг от друга, могут начать взаимодействовать за счет взаимной связи. Каждое взаимодействие между элементами влияет на способность массива поддерживать хорошее согласование импеданса и приводит к потере мощности. Кроме того, электромагнитная связь нарушает диаграмму направленности антенны, снижает усиление и влияет на резонансную частоту.

Другая проблема связана с влиянием корпуса на чувствительность антенны. Зачастую пластик, используемый для корпуса, имеет более высокую диэлектрическую проницаемость, чем воздух. Недостаточное расстояние между антенной и корпусом заставляет антенну воспринимать более высокую эффективную диэлектрическую проницаемость. В результате электрическая длина антенны увеличивается, а резонансная частота снижается. Команды разработчиков всегда должны проверять производительность согласующей сети антенны с установленным окончательным пластиковым корпусом и продуктом, установленным в типичном сценарии использования.

На высоких частотах импеданс радиочастотной цепи изменяется при измерении на разных расстояниях от нагрузки. Ширина и толщина радиочастотного следа, расстояние между следом и землей, а также тип подложки также влияют на величину изменения импеданса. В дизайне антенны печатной платы коаксиальные кабели, микрополосковые линии и копланарные волноводы функционируют как линии передачи. Общепринятая практика заключается в использовании пассивной схемы в качестве согласующей сети для преобразования характеристического импеданса радиочастотного следа и для обеспечения максимальной передачи мощности между согласующими источником и нагрузкой импедансами.

Использование высокоскоростных схем в электронных продуктах, использующих антенны на печатных платах, увеличивает риск электромагнитных помех и излучаемых эмиссий. Одновременный шум переключения (SSN), вызванный уменьшением размеров интегральных схем и увеличением тактовых частот микропроцессоров, приводит к самопомехам — или введению сигналов, которые негативно влияют на отношение сигнал/шум и искажают сигнал, передаваемый антенной. Таким же образом антенна может вызывать самопомехи вдоль своих линий передачи и ухудшать сигналы по всей печатной плате.

Что предоставляет хорошее программное обеспечение для дизайна антенн?

Программное обеспечение для проектирования антенн на печатных платах (PCB) позволяет точно анализировать фильтры, микрополосковые линии и пассивные компоненты, составляющие антенну на PCB. Также оно помогает в проектировании антенн на PCB, отображая металло-диэлектрические слои, подводы и типы соединителей. Для соответствия современным требованиям к проектированию, программное обеспечение для симуляции антенн на PCB предоставляет геометрические и электрические свойства антенны для оптимальной работы. Установление этих свойств позволяет программному обеспечению моделировать правильное согласование импеданса антенны и диаграмму направленности.

• Используйте принципы проектирования инвертированной F-антенны в вашем дизайне PCB
• Контролируйте электромагнитные помехи с помощью антенны с двойной полосой пропускания
• Узнайте о использовании гибридных или компактных фрактальных антенн

Анализ и симуляция - это лишь части процесса проектирования

Altium Designer решает проблемы антенн на печатных платах

Altium Designer предоставляет Редактор схем, Редактор PCB и инструменты анализа целостности сигнала для контроля и согласования импедансов, необходимых для обеспечения стабильной работы антенн на PCB. Редактор схем и Редактор PCB обеспечивают согласование импеданса от выходного контакта до целевого входного контакта. Кроме того, редакторы предлагают добавление компонентов завершения для достижения согласования по всей цепи и разделительных конденсаторов или материалов, используемых для предотвращения взаимного влияния между антеннами на PCB. Команды могут найти подходящие компоненты для поддержки, например, дизайна антенны BLE через библиотеки баз данных или Altium Vault.

Инструменты анализа целостности сигнала в Altium Designer позволяют определить любые цепи, которые могут иметь неприемлемые уровни отражения. Также инструменты предсказывают потенциальные уровни отражения сигнала и перекрестных помех, предоставляя анализ "что если" для потенциальных компонентов завершения. Комбинация редакторов, правил проектирования и функции Active Route гарантирует, что для сигнала выбирается правильный путь трассировки и что под трассой сигнала существует непрерывный путь для возвратного тока. С помощью этих техник Altium Designer предотвращает электромагнитные помехи (EMI) и обеспечивает лучшее проектирование для оптимальной производительности антенны печатной платы.

Хотя размещение экранов на часах, микроконтроллерах и импульсных источниках питания предлагает одно из решений для устранения EMI, любое экранирование будет блокировать передаваемые сигналы и не должно покрывать дизайн антенны печатной платы. Altium Designer может защитить от самопомех с помощью комбинации правил трассировки и функции Active Route. Выходные трассы от часов должны проходить над земляной плоскостью, чтобы уменьшить любой ток, индуцированный странными радиочастотными полями, и минимизировать площади петель. Altium Designer также помогает устранить антенны печатной платы, которые могут вызывать самопомехи за счет оптимального размещения земляных плоскостей. Любая земляная плоскость, размещенная непосредственно под часами, формирует антенну.

Менеджер стека слоёв Altium определяет слои, используемые в дизайне печатной платы, и управляет типами слоёв, включенными в стек. При проектировании антенны ПП, команды могут использовать Менеджер стека слоёв для указания каждого слоя по типу материала, толщине и диэлектрической постоянной. Altium Designer также включает опцию Ширина, управляемая характеристическим импедансом, в правиле дизайна Ширины трассировки. Опция применяет стандартное уравнение отрасли для перевода импеданса в настройку ширины.

Altium Designer также предоставляет инструменты 3D-макетирования ПП, позволяющие командам видеть влияние механических данных на антенну ПП. Команды проектирования могут импортировать модель компонента в редактор библиотеки и корпус в Редактор ПП для проведения точного тестирования на столкновение. Поскольку Altium Designer обеспечивает сотрудничество ECAD и MCAD, программное обеспечение позволяет командам работать с внешними физическими ограничениями и выбирать подходящую форму платы. С помощью этих инструментов команды проектирования делают необходимые корректировки для схем и корпусов, чтобы убедиться, что пластик не влияет на диэлектрическую постоянную.

Единая среда проектирования Altium упрощает дизайн антенны ПП

Хотя многие программы для симуляции антенн на печатных платах предоставляют необходимые инструменты, Altium Designer объединяет инструменты схемотехники и печатных плат в одной среде. Мощные инструменты проектирования, такие как Менеджер Стека Слоев и инструменты Анализа Целостности Сигнала, реагируют на одни и те же меню, команды и функциональные клавиши. Полный набор инструментов, найденных в единой среде проектирования Altium, переводит концепции от схемы к компоновке печатной платы, к документации проекта и к производству и выпуску.

• Узнайте о определениях стека слоев для ваших печатных плат в Altium Designer.
• Узнайте об интерактивной трассировке в Altium Designer.
• Узнайте о умном размещении компонентов в Altium Designer.

Будьте уверены в своих проектах, независимо от того, что они собой представляют.

Инновационное программное обеспечение Altium Designer способно достигать и превосходить любые ваши потенциальные потребности в проектировании, включая проектирование антенн BLE, медицинские устройства, проекты IoT и т.д. Дайте вашим печатным платам безопасность быть переданными к производству наиболее точным и стабильным способом. Доверьтесь Altium Designer, чтобы ваши электронные устройства были выполнены правильно.