Phần mềm Thiết kế Ăng-ten PCB Tốt nhất Giúp Dễ dàng Triển khai Ăng-ten

| Created: Tháng Tư 9, 2020

Tiếp cận Cơ bản trong Thiết kế Ăng-ten PCB

Thiết kế ăng-ten cho bảng mạch có thể là một nhiệm vụ khó khăn đối với bất kỳ phần mềm nào; tuy nhiên, điều đó không phải là vấn đề đối với Altium Designer, có thể đóng vai trò là phần mềm thiết kế ăng-ten BLE và nhiều hơn nữa mà bạn có thể tin tưởng.

ALTIUM DESIGNER

Đảm bảo rằng các thiết kế ăng-ten của bạn được đặt mà không gặp vấn đề

Nhu cầu của người tiêu dùng và công nghiệp đã thúc đẩy nhu cầu về các thiết bị không dây nhỏ hơn. Các thiết bị này hỗ trợ công nghệ đeo được, ứng dụng Bluetooth Low Energy (BLE), hệ thống giao tiếp cá nhân, ứng dụng Internet vạn vật (IoT), công nghệ y tế, hệ thống hỗ trợ lái xe tiên tiến trong ô tô và các công nghệ sáng tạo khác. Mỗi ứng dụng trong số này và các ứng dụng khác đều yêu cầu ăng-ten PCB giảm kích thước vật lý và chi phí trong khi vẫn duy trì hiệu suất. Ngoài ra, thiết kế ăng-ten PCB cũng phải đáp ứng các yêu cầu về tần số, từ băng tần 2.4 GHz thông thường đến các tần số sóng milimet.

Thay vì sử dụng dây ba chiều kéo dài trên PCB hoặc anten chip, phần mềm thiết kế anten PCB bao gồm một đường dẫn được vẽ trên Bảng Mạch In. Tùy thuộc vào loại anten và các hạn chế về không gian, các loại đường dẫn được sử dụng cho thiết kế anten PCB bao gồm đường dẫn thẳng, đường dẫn kiểu F đảo ngược, đường dẫn uốn lượn, đường dẫn tròn, hoặc đường dẫn cong có những đoạn gấp khúc. Cấu trúc hai chiều của anten PCB đòi hỏi phần mềm thiết kế anten mạnh mẽ như Altium Designer để đảm bảo rằng cấu trúc đáp ứng các thông số kỹ thuật do nhà sản xuất đưa ra.

Phần Mềm Mô Phỏng Anten PCB Tốt Nhất Phù Hợp Với Sự Đổi Mới và Ứng Dụng

Nhà sản xuất có thể cung cấp anten PCB dưới dạng các thành phần đã được chế tạo sẵn bao gồm cáp và kết nối. Với loạt các tùy chọn anten PCB có sẵn (ví dụ: thiết kế anten BLE, anten IoT, v.v.), một nhóm có thể thêm vào thiết kế hệ thống hoặc tùy chỉnh anten theo yêu cầu về điện và cơ khí. Các thiết kế anten PCB có thể dao động từ các miếng dán microstrip cơ bản đến sự kết hợp của các miếng dán microstrip, đường dẫn dải và đường truyền sóng đồng bằng (CPW). Một số thiết kế có thể kết hợp các loại đường truyền khác nhau trong cùng một anten PCB.

Việc lựa chọn phần mềm thiết kế ăng-ten PCB phụ thuộc vào ứng dụng. Một con chuột không dây không cần phạm vi RF và tốc độ dữ liệu như các ứng dụng khác có thể yêu cầu. Các cảm biến và thiết bị kết nối với Internet vạn vật yêu cầu phạm vi RF lớn hơn và tốc độ dữ liệu cao hơn. Các thiết kế ăng-ten PCB mới hơn tính năng băng tần kép và phủ sóng nhiều băng tần như một phản ứng đối với các ứng dụng hệ thống yêu cầu phạm vi tần số rộng lớn hoặc nhiều ứng dụng được phục vụ bởi cùng một ăng-ten.

Do sự biến đổi trong phạm vi RF, các thiết kế có cùng yêu cầu về công suất thường có các bố cục khác nhau và áp dụng các nguyên tắc khác nhau cho thiết kế ăng-ten. Bất kể ứng dụng là gì, thiết kế của ăng-ten và bố cục RF có ảnh hưởng lớn nhất đến hiệu suất. Ngoài ra, một phần mềm mô phỏng ăng-ten PCB phải tuân theo các hướng dẫn bố cục cho các đường dẫn RF, tuân thủ các phương pháp tốt nhất trong xếp chồng PCB và nối đất, cung cấp sự giảm nhiễu nguồn cung cấp điện, và bao gồm các thành phần thụ động RF phù hợp. Sự khác biệt trong thiết kế và yêu cầu sản phẩm thiết lập nhu cầu cho phần mềm thiết kế ăng-ten PCB.

Ví dụ, một số ứng dụng tần số cao không yêu cầu độ lợi cao hơn sử dụng ăng-ten PCB đơn cực bao gồm một miếng vá microstrip được hình thành trên một mặt của một lớp mạch cách điện, tách biệt với một mặt đất lớn hơn bởi một điện môi. Các ứng dụng khác có thể yêu cầu độ lợi cao hơn ở một số tần số nhất định và sử dụng cấu hình đa lớp. Trong mỗi trường hợp, bước sóng của tần số hoạt động mục tiêu có mối quan hệ trực tiếp với kích thước của miếng vá.

Thiết kế ăng-ten PCB Đòi hỏi một Phương pháp Cơ bản

Thiết kế ăng-ten PCB bắt đầu với việc thiết lập các thông số hiệu suất chính. Những thông số đó bao gồm

Mất mát trở lại
Dải tần
Hiệu suất bức xạ
Mô hình bức xạ, và
Độ lợi.

Mỗi ăng-ten phải phù hợp với một nguồn cấp tín hiệu có trở kháng đặc trưng điển hình là 50 ôm. Mất mát trở lại của ăng-ten chỉ ra chất lượng của sự phù hợp bằng cách hiển thị lượng công suất sự cố (dB) phản xạ bởi ăng-ten do không phù hợp. Một mất mát trở lại vô hạn cho thấy rằng ăng-ten phù hợp với nguồn cấp tín hiệu. Các thiết kế ăng-ten hoàn hảo bức xạ toàn bộ năng lượng mà không có bất kỳ phản xạ nào. Nói chung, các nhóm thiết kế tìm thấy một mất mát trở lại 10 dB là đủ; 90% công suất sự cố đi vào ăng-ten để bức xạ.

Băng thông của một ăng-ten đo phản ứng tần số của ăng-ten. Để đặt vấn đề này dưới một góc nhìn khác, băng thông đo khả năng của ăng-ten phù hợp với tín hiệu đầu vào trên toàn bộ băng tần quan tâm. Khi xem xét thiết kế ăng-ten BLE, sự mất mát lớn nhất xảy ra ở 2.33 GHz và 2.55 GHz trong khi sự mất mát thấp nhất và hiệu quả tốt nhất xảy ra giữa 2.40 GHz và 2.48 GHz. Hầu hết các thiết bị tiêu dùng sử dụng băng thông rộng hơn để giảm thiểu ảnh hưởng của việc lệch tần do môi trường hoạt động.

Hiệu quả bức xạ mô tả lượng công suất không phản xạ được tiêu hao dưới dạng nhiệt hoặc mất mát nhiệt trong một ăng-ten. Hiệu quả bức xạ 100 phần trăm cho thấy tất cả công suất không phản xạ bức xạ vào không gian tự do. Trong thiết kế ăng-ten PCB, mất mát nhiệt xảy ra qua mất mát điện môi trong lớp cách điện FR4 và mất mát dẫn trong các đường dẫn. Các ăng-ten PCB có kích thước nhỏ có mất mát nhiệt thấp nhất và hiệu quả bức xạ cao nhất.

Cùng với hiệu quả bức xạ, ăng-ten có một công suất bức xạ cụ thể. Hành vi lý tưởng của ăng-ten là bức xạ công suất đều nhau theo mọi hướng trong mặt phẳng vuông góc với trục ăng-ten. Hầu hết các ăng-ten PCB có hiệu quả bức xạ xuất sắc--nhưng không hoàn hảo--với các mô hình đa hướng. Bởi vì mô hình bức xạ cho thấy các hướng có mức bức xạ cao nhất và thấp nhất, hiệu quả bức xạ cho thấy cách định hướng ăng-ten cho ứng dụng. Độ lợi (dBi) của một ăng-ten đo sức mạnh của bức xạ theo hướng quan tâm khi so sánh với hành vi lý tưởng.

Cùng với việc quan sát những tham số đó, ăng-ten PCB yêu cầu một mặt đất có kích thước phù hợp để đạt hiệu suất tối ưu. Từ góc độ thiết kế đơn giản, ăng-ten hoạt động như một bộ cộng hưởng LC. Tần số cộng hưởng giảm khi tăng inductance hoặc capacitance. Các mặt đất lớn hơn tăng capacitance và giảm tần số cộng hưởng. Việc nối đất tốt hơn cũng đạt được tổn thất quay về tốt hơn. Việc thiết lập mặt đất đúng cho phép nhà thiết kế ăng-ten PCB có hiệu suất tốt hơn.

Thiết kế ăng-ten PCB Đặt Ra Thách Thức

Các đội ngũ thiết kế đối mặt với nhiều thách thức khác nhau khi tìm cách thiết kế các ăng-ten PCB hiệu suất cao. Một số ứng dụng có thể sử dụng nhiều ăng-ten ở cả hai phía bộ phát và bộ nhận để cải thiện hiệu suất của hệ thống ăng-ten. Tuy nhiên, các phần tử ăng-ten có khoảng cách gần nhau có thể bắt đầu tương tác với nhau qua hiện tượng ghép nối lẫn nhau. Mỗi phản ứng giữa các phần tử ảnh hưởng đến khả năng của mảng ăng-ten để duy trì sự phù hợp tốt về trở kháng và lãng phí công suất. Ngoài ra, sự ghép nối điện từ làm xáo trộn mô hình bức xạ của ăng-ten, cản trở độ lợi và ảnh hưởng đến tần số cộng hưởng.

Thách thức khác liên quan đến ảnh hưởng của vỏ bọc đến độ nhạy của ăng-ten. Nhiều lần, nhựa được sử dụng cho vỏ bọc sẽ có hằng số điện môi cao hơn không khí. Sự thiếu khoảng cách đủ giữa ăng-ten và vỏ bọc khiến ăng-ten nhìn thấy hằng số điện môi hiệu quả cao hơn. Kết quả là, chiều dài điện của ăng-ten tăng lên và tần số cộng hưởng giảm xuống. Các đội thiết kế luôn nên xác minh hiệu suất của mạng phù hợp ăng-ten với vỏ bọc nhựa cuối cùng được đặt vào và sản phẩm được lắp đặt trong một kịch bản sử dụng điển hình.

Tại các tần số cao, trở kháng của mạch RF thay đổi khi đo ở các khoảng cách khác nhau từ tải. Chiều rộng và độ dày của đường dẫn RF, khoảng cách giữa đường dẫn và mặt đất cùng với loại vật liệu nền cũng ảnh hưởng đến lượng thay đổi trở kháng. Trong thiết kế ăng-ten PCB, cáp đồng trục, đường dẫn microstrip và hướng dẫn sóng đồng mặt phẳng hoạt động như các đường truyền tín hiệu. Các phương pháp thông thường bao gồm sử dụng mạch bị động như một mạng lưới khớp nối để biến đổi trở kháng đặc trưng của đường dẫn RF và đảm bảo việc truyền tải công suất tối đa giữa nguồn khớp nối và trở kháng tải.

Việc sử dụng các mạch tốc độ cao trong các sản phẩm điện tử sử dụng ăng-ten PCB làm tăng nguy cơ nhiễu điện từ và phát xạ bức xạ. Nhiễu Chuyển Mạch Đồng Thời (SSN) do việc thu nhỏ mạch tích hợp và tăng tần số đồng hồ của vi xử lý dẫn đến tự gây nhiễu—hay sự xuất hiện của tín hiệu làm ảnh hưởng tiêu cực đến tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu và làm méo tín hiệu được ăng-ten truyền đi. Tương tự, ăng-ten có thể gây tự gây nhiễu dọc theo các đường truyền của nó và làm suy giảm tín hiệu trên toàn bộ PCB.

Phần mềm Thiết kế ăng-ten tốt cung cấp những gì?

Phần mềm thiết kế ăng-ten PCB phân tích chính xác các bộ lọc, đường microstrip và các thành phần bị động tạo nên một ăng-ten PCB. Phần mềm cũng hỗ trợ thiết kế ăng-ten PCB bằng cách hiển thị các lớp kim loại-điện môi, nguồn cấp và loại kết nối. Để đáp ứng yêu cầu thiết kế hiện đại, phần mềm mô phỏng ăng-ten PCB cung cấp các tính chất hình học và điện của ăng-ten để đạt hiệu suất tối ưu. Việc thiết lập những tính chất này cho phép phần mềm mô hình hóa đúng trở kháng ăng-ten và mô hình bức xạ.

Phân tích và mô phỏng chỉ là một phần của quá trình thiết kế

Altium Designer Giải quyết Thách thức ăng-ten Trên Bảng Mạch

Altium Designer cung cấp Schematic Editor, PCB Editor và các công cụ phân tích tính toàn vẹn tín hiệu để kiểm soát và khớp trở kháng cần thiết cho hiệu suất ăng-ten PCB nhất quán. Schematic Editor và PCB Editor đảm bảo việc khớp trở kháng xảy ra từ chân đầu ra đến chân đầu vào mục tiêu. Ngoài ra, các Editor đề xuất việc thêm các thành phần kết thúc để đạt được sự khớp trở kháng trong toàn mạch và tụ điện hoặc vật liệu sử dụng để ngăn chặn sự kết hợp lẫn nhau giữa các ăng-ten PCB. Các đội có thể tìm thấy các thành phần phù hợp để hỗ trợ thiết kế ăng-ten như ăng-ten BLE thông qua thư viện cơ sở dữ liệu hoặc Altium Vault.

Công cụ Phân tích Tính toàn vẹn Tín hiệu trong Altium Designer xác định bất kỳ mạch nào có thể có mức phản xạ không chấp nhận được. Công cụ cũng dự đoán mức độ phản xạ tín hiệu và nhiễu chéo tiềm năng đồng thời cung cấp phân tích what-if về các thành phần kết thúc tiềm năng. Sự kết hợp của các Trình chỉnh sửa, Quy tắc Thiết kế và Active Route đảm bảo rằng đường dẫn đúng cho tín hiệu được xảy ra và một đường dẫn không bị gián đoạn cho dòng điện trở lại tồn tại dưới lộ trình tín hiệu. Với những kỹ thuật này, Altium Designer ngăn chặn EMI và cung cấp thiết kế tốt nhất cho hiệu suất thiết kế ăng-ten PCB tối ưu.

Trong khi việc đặt các tấm chắn trên đồng hồ, vi điều khiển và nguồn cung cấp điện chuyển đổi cung cấp một giải pháp để loại bỏ EMI, bất kỳ tấm chắn nào cũng sẽ chặn tín hiệu truyền đi và không nên che phủ thiết kế ăng-ten PCB. Altium Designer có thể bảo vệ chống lại tự gây nhiễu với sự kết hợp của các quy tắc thiết kế cho định tuyến và chức năng Active Route của mình. Các đường ra từ đồng hồ nên chạy trên mặt đất để giảm bất kỳ dòng điện nào được gây ra bởi các trường RF lạc đường và giảm thiểu các khu vực vòng lặp. Altium Designer cũng hỗ trợ loại bỏ ăng-ten PCB tự gây nhiễu thông qua việc đặt mặt đất tối ưu. Bất kỳ mặt đất nào được đặt ngay dưới đồng hồ tạo thành một ăng-ten mạng.

Trình quản lý Lớp Ngăn xếp của Altium định nghĩa các lớp được sử dụng trong thiết kế Bảng Mạch In và quản lý các loại lớp được bao gồm trong ngăn xếp. Khi thiết kế ăng-ten PCB, các nhóm có thể sử dụng Trình quản lý Lớp Ngăn xếp để chỉ định từng lớp cho loại vật liệu, độ dày và hằng số điện môi. Altium Designer cũng bao gồm tùy chọn Độ Rộng Được Điều Khiển bởi Trở Kháng Đặc Trưng trong quy tắc thiết kế Độ Rộng Định tuyến. Tùy chọn áp dụng một phương trình tiêu chuẩn của ngành để chuyển đổi trở kháng thành cài đặt độ rộng.

Altium Designer cũng cung cấp các công cụ bố trí PCB 3D cho phép các nhóm nhìn thấy ảnh hưởng của dữ liệu cơ khí lên ăng-ten PCB. Các nhóm thiết kế có thể nhập mô hình thành phần vào trình biên tập thư viện và vỏ bọc vào Trình biên tập PCB để thực hiện kiểm tra va chạm chính xác. Bởi vì Altium Designer cho phép sự hợp tác giữa ECAD và MCAD, phần mềm cho phép các nhóm làm việc với các ràng buộc vật lý bên ngoài và chọn hình dạng bảng mạch phù hợp. Với những công cụ này, các nhóm thiết kế thực hiện các điều chỉnh cần thiết cho mạch và vỏ bọc để đảm bảo rằng nhựa không ảnh hưởng đến hằng số điện môi.

Môi trường Thiết kế Thống nhất của Altium Làm cho Việc Thiết kế ăng-ten PCB Trở nên Dễ dàng hơn

Trong khi nhiều ứng dụng phần mềm mô phỏng ăng-ten PCB cung cấp các công cụ cần thiết, Altium Designer đặt các công cụ sơ đồ và Bảng Mạch trong một môi trường duy nhất. Các công cụ thiết kế mạnh mẽ như Quản lý Lớp Chồng và Công cụ Phân Tích Tính Toàn Vẹn Tín Hiệu phản hồi với cùng các menu, lệnh và phím chức năng. Bộ công cụ đầy đủ được tìm thấy trong môi trường thiết kế thống nhất của Altium chuyển các khái niệm từ sơ đồ đến bố trí PCB, đến tài liệu thiết kế và đến sản xuất và sản xuất.

Hãy tự tin vào thiết kế của bạn, bất kể chúng là gì.

Phần mềm sáng tạo của Altium Designer có khả năng đạt được và vượt qua bất kỳ nhu cầu thiết kế tiềm năng nào của bạn, bao gồm thiết kế ăng-ten BLE, thiết bị y tế, thiết kế IoT, v.v. Hãy cho bảng mạch của bạn sự an toàn để được chuyển qua sản xuất một cách chính xác và ổn định nhất. Hãy tin tưởng vào Altium Designer để hoàn thành công việc điện tử của bạn một cách đúng đắn.

What is PCB Data Management? Design Data Management Solutions Altium 365 Library Migration Collaboration and Version Control

About Author

Zachariah Peterson has an extensive technical background in academia and industry. He currently provides research, design, and marketing services to companies in the electronics industry. Prior to working in the PCB industry, he taught at Portland State University and conducted research on random laser theory, materials, and stability. His background in scientific research spans topics in nanoparticle lasers, electronic and optoelectronic semiconductor devices, environmental sensors, and stochastics. His work has been published in over a dozen peer-reviewed journals and conference proceedings, and he has written 2500+ technical articles on PCB design for a number of companies. He is a member of IEEE Photonics Society, IEEE Electronics Packaging Society, American Physical Society, and the Printed Circuit Engineering Association (PCEA). He previously served as a voting member on the INCITS Quantum Computing Technical Advisory Committee working on technical standards for quantum electronics, and he currently serves on the IEEE P3186 Working Group focused on Port Interface Representing Photonic Signals Using SPICE-class Circuit Simulators.