Двухдиапазонный дизайн ПП (печатной платы) антенны: Контроль за ЭМП (электромагнитными помехами)

Если вы родились в 1980-х или ранее, вы, вероятно, помните те старые «кирпичные» мобильные телефоны с их огромными антеннами. Переместимся в настоящее, и большинство людей даже не осознают, что в их смартфонах есть антенны. Предложенные дизайны антенн прошли долгий путь с 80-х годов, и новые антенны могут отправлять и принимать сигналы в нескольких частотных диапазонах.

По мере развития мобильной индустрии и индустрии интернета вещей, электронные устройства продолжают использовать протоколы беспроводной связи для отправки и приема данных. Эти устройства будут нуждаться в коммуникации в нескольких частотных диапазонах для выполнения своих задач, и новые дизайны антенн будут продолжать появляться на печатных платах. Двухдиапазонные антенны объединяют две антенны в одном модуле и помогут вам сэкономить ценное пространство в вашей компоновке печатной платы.

Двухдиапазонные антенны в вашей печатной плате

Двухдиапазонная антенна - это антенна, которая может отправлять и принимать сигналы в двух разных частотных диапазонах. Эти антенны могут работать на этих различных частотах индивидуально или одновременно, в зависимости от возможностей конкретной антенны. Стандартные всенаправленные дизайны антенн, такие как монопольная, дипольная или щелевая антенна, могут быть модифицированы для обеспечения двухдиапазонного излучения.

Печатная плата с модулем дипольной антенны

Двухдиапазонные антенны на печатных платах, работающие на частотах 2,4 ГГц и 5,8 ГГц, уже доступны. Такой тип антенны позволяет устройству работать согласно различным стандартам IEEE и расширяет его возможности связи за пределами WiFi. Некоторые мобильные телефоны используют двухдиапазонную связь, отдельную от WiFi.

Вместо выбора готового антенного модуля, двухдиапазонную антенну можно легко интегрировать в ваше устройство. Интегрированная антенна может быть напечатана непосредственно на печатной плате и имеет более низкие производственные и сборочные затраты по сравнению с внешним антенным модулем. Поскольку внешние двухдиапазонные антенные модули печатаются на своих собственных печатных платах, проектирование и печать вашей собственной интегрированной антенны может помочь вам сохранить меньший размер.

Если проектирование печатной антенны не ваш конек, другой вариант, позволяющий сохранить малые размеры, - использование в вашей компоновке керамической чип-антенны двухдиапазонного типа. Эти чипы недороги и доступны во множестве вариантов частот. Они также согласованы по импедансу на 50 Ом, соответствуют отраслевым стандартам и имеют высокий линейный усилитель.

Печатная двухдиапазонная антенна

Печать двухдиапазонной антенны непосредственно на вашей печатной плате может быть сложной задачей, и существует ряд аспектов дизайна, которые следует учитывать. Любое устройство с высокой скоростью передачи данных должно следовать стандартным рекомендациям по проектированию высокоскоростных устройств.

Если ваше устройство будет работать в широком диапазоне температур, расширение/сжатие объема может вызвать изменение резонансной частоты антенны. Это изменяет мощность, передаваемую или принимаемую на заданной несущей частоте.

Если вы используете металл с небольшим коэффициентом теплового расширения, вы можете минимизировать изменения объема. Важно согласовать тепловой коэффициент вашего металла и дорожек с коэффициентом материала платы. Большое несоответствие может привести к отслоению или разрыву при экстремальных температурах.

Как только вы определитесь с геометрией и спланируете свой дизайн, вам нужно будет согласовать импеданс. Большинство коммерчески доступных антенн уже согласованы с импедансом 50 Ом на частоте 2,4 ГГц, и вам нужно будет сделать то же самое со своей пользовательской антенной. Любое несоответствие импеданса между антенной и ее драйвером/приемником может быть компенсировано с помощью двух индукторов и двух конденсаторов.

Базовое понимание диаграммы Смита необходимо для согласования импеданса антенн. Коротко говоря, диаграмма Смита помогает визуализировать точное несоответствие импеданса между антенной и нагрузкой. Размещение индуктора и конденсатора будет зависеть от точного несоответствия между импедансом антенны и нагрузки.

Одна пара конденсатор/индуктор будет размещена последовательно с антенной или нагрузкой, а другая пара будет размещена как шунтирующие элементы. Согласование импеданса одного диапазона влияет на согласование другого диапазона, поэтому каждый диапазон не может быть согласован последовательно. Размещение ваших последовательных и шунтирующих элементов требует некоторых проб и ошибок, а также немного опыта.

Когда вы говорите, что вы ребенок по душе, я надеюсь, это не относится к вашим проектам печатных плат

Самоподавление ЭМИ

Если меры по контролю за ЭМИ не реализованы в вашей печатной плате, ваша антенна может вызвать самоподавление. Самоподавление происходит, когда излучающий элемент (например, излучающий осциллятор) индуцирует сигнал где-то в цепи. Это снижает отношение сигнал/шум и может исказить сигнал, передаваемый с передающей антенны. Впервые это явление было названо «самозатуханием» в сообществе FM радио и, более недавно, стало серьезной проблемой в RFID чипах.

Электронные компоненты на вашей печатной плате, такие как генераторы, микроконтроллеры и импульсные источники питания, могут вызывать самопомехи в вашей печатной плате и ухудшать один или оба сигнала, отправляемых и принимаемых вашей двухдиапазонной антенной. Высшие гармоники в любом из этих компонентов могут производить нежелательные излучения, которые мешают сигналу антенны. Точно так же ваша антенна может вызывать самопомехи в этих компонентах и может ухудшать сигналы в остальной части вашей печатной платы.

В зависимости от расположения компонентов на вашей печатной плате, экранирование может быть одним из вариантов предотвращения самопомех. Будьте осторожны, чтобы не экранировать саму антенну, так как передаваемые сигналы будут блокироваться экранированием и никогда не достигнут своего пункта назначения. Если форм-фактор позволяет, критически важные компоненты, такие как микроконтроллеры и электроника, поддерживающая вашу антенну, могут быть экранированы, в то время как ваша антенна остается неэкранированной на той же плате.

Размещение экранирования может быть неуместным для всех конструкций, особенно когда компоновка очень сложная. Когда дизайн ограничен форм-фактором, существует ряд практик проектирования, которые могут помочь снизить восприимчивость к самопомехам и к ЭМИ в целом.

Особое значение имеет размещение вашего тактового генератора и его земляной плоскости. Важно прокладывать выходные трассы от вашего тактового генератора над его земляной плоскостью, чтобы минимизировать площадь петли, поскольку это снижает любые токи, индуцируемые за счет стрей-радиочастотных полей. Однако земляная плоскость не должна располагаться непосредственно под самим тактовым генератором, так как это формирует антенну с центральной подачей. Устранение таких сетевых антенн является одним из лучших способов предотвращения самопомех.

С передовыми функциями и обширной библиотекой компонентов, позволяющими вам реализовывать двухдиапазонные антенны в вашем дизайне печатной платы, Altium Designer может стимулировать ваше проектирование. В нем также есть отличные инструменты CAD, позволяющие вам разрабатывать собственные двухдиапазонные антенны.

Если вас интересует получение дополнительной информации о проектировании с двухдиапазонными антеннами, обратитесь к эксперту Altium Designer сегодня.