Thiết kế Cách Ly Ăng-ten trong Hệ thống Không Dây của Bạn

Bất kỳ ai đã từng tháo một chiếc điện thoại cũ hoặc thiết kế các thiết bị IoT đều biết rằng trong những thiết kế này có nhiều khả năng giao tiếp khác nhau, mỗi loại yêu cầu các loại ăng-ten khác nhau. Người thiết kế RF nên đã cẩn thận với việc cách ly kết nối, nhưng việc cách ly ăng-ten cũng quan trọng không kém khi mô hình hóa và thiết kế các hệ thống không dây.

Kỹ thuật cách ly ăng-ten cơ bản nhất đơn giản chỉ yêu cầu đặt các ăng-ten xa nhau hơn và thiết kế mạng lưới khớp nối để cung cấp một mức độ lọc nào đó khỏi các tần số hoạt động mong muốn. Trên một PCB thực tế cho một thiết bị không dây với nhiều giao thức giao tiếp, giải pháp yêu cầu phải đi xa hơn và xem xét đến stackup, cũng như kỹ thuật một số cấu trúc băng tần điện từ để ngăn chặn sự can thiệp.

Các Loại Cách Ly ăng-ten

Các biện pháp cách ly ăng-ten nên được thực hiện khi có nhiều ăng-ten hiện diện trên cùng một bảng mạch. Hình thức cách ly đơn giản nhất là tách các ăng-ten khác nhau vào các phần khác nhau của bảng mạch vì bức xạ phát ra từ các ăng-ten không có bộ phản xạ sẽ tự nhiên giảm đi theo khoảng cách. Điều này được theo sau bởi việc điều chỉnh cẩn thận mạng lưới khớp nối ăng-ten để ngăn chặn lợi ích dư thừa. Cách ly là song phương, tức là, nó là một chức năng của cả hai lợi ích ăng-ten và sự truyền đạt giữa hai yếu tố. Một giá trị cách ly thấp giữa hai ăng-ten có nghĩa là các ăng-ten nhận được bức xạ của nhau.

Khi chúng ta nói về “các loại” cách ly ăng-ten, chúng ta thực sự đang đề cập đến cách mà bức xạ điện từ từ một ăng-ten được một ăng-ten khác thu nhận. Khi một bảng mạch thực sự được đặt vào vỏ của nó, môi trường cho bức xạ có thể trở nên khá phức tạp. Việc thiết kế cách ly cần được thực hiện để ngăn chặn các nguồn nhiễu sau:

• Bức xạ trực tiếp: Điều này liên quan đến việc đơn giản là giảm cường độ của bức xạ được gửi từ một ăng-ten và nhận bởi một ăng-ten khác. Đây là một chức năng của hướng, độ nhạy cực và bất kỳ yếu tố chắn nào.
• Cộng hưởng vỏ: Bức xạ phát ra có thể kích thích cộng hưởng bên trong vỏ, sau đó gây ra nhiễu giữa các phần khác nhau của bảng mạch do phản xạ và sự lan truyền đa đường. Cộng hưởng vỏ xuất hiện như những đỉnh nhỏ trong mô hình bức xạ.
• Kích thích chế độ sóng dẫn: Các chế độ sóng dẫn song song mặt phẳng có thể được kích thích khi một ăng-ten được kích thích và bức xạ ở một số tần số nhất định. Vấn đề này không phải là kết quả của lộ trình trở về không được lên kế hoạch; thay vào đó, đây là một hiệu ứng xảy ra do bức xạ từ một ăng-ten. Tương tự, sóng bề mặt có thể được kích thích bởi một ăng-ten bức xạ, đặc biệt là các ăng-ten phẳng, sau đó có thể được hướng dẫn đến một phần khác của bảng mạch nhờ vào sự chênh lệch chỉ số khúc xạ giữa chỉ số khúc xạ của chất nền và không khí.
• Sự cộng hưởng tiếng ồn: Tiếng ồn từ một phần có thể lan truyền sang phần khác dưới dạng EMI. Vấn đề với EMI giữa các ăng-ten được giải quyết một phần nhờ vào việc lập kế hoạch sàn thông minh.

Sự cách ly ăng-ten là thước đo về khả năng một ăng-ten nhận được bức xạ từ ăng-ten khác như thế nào, được định lượng bằng S12 giữa hai phần tử ăng-ten. Mục tiêu cách ly thông thường được đặt ở ít nhất +20 dB, tùy thuộc vào sản phẩm, và cách ly có thể được đo bằng máy phân tích mạng vectơ. Các ăng-ten chia sẻ một mặt phẳng tham chiếu, như các ăng-ten trên một điện thoại thông minh, có thể có sự cách ly thấp do dòng điện kích thích trên mặt đất, điều này sẽ giảm hiệu quả của cả hai ăng-ten.

Cách Ly Chống Lại Bức Xạ Trực Tiếp

Khi đối phó với các ăng-ten hướng dẫn cao, như các mảng pha, việc cần làm không gì khác hơn là đặt các ăng-ten cẩn thận sao cho các chùm chính và chùm phụ không hướng trực tiếp vào nhau. Tương tự, khi đối phó với hai ăng-ten có cực hóa, chỉ cần định hướng hai ăng-ten sao cho chúng điện tử vuông góc với nhau. Tuy nhiên, điều này không khả thi trong nhiều sản phẩm di động/IoT tiên tiến.

Trong trường hợp bức xạ không được phân cực hoặc phân cực yếu, và các ăng-ten ở gần nhau, độ lợi của hai ăng-ten và các mạng ghép nối cần được điều chỉnh chính xác để cung cấp mức độ cô lập phù hợp. Mạng ghép nối LC với một loạt các điện trở nối tiếp hoặc song song có thể cung cấp đủ sự ghép nối cho một microstrip cấp dẫn tại các tần số ăng-ten liên quan; sự cô lập do mạng ghép nối cung cấp có thể đủ khi hai tần số ăng-ten khá khác biệt. Tuy nhiên, với các bộ phát công suất cao và với các ăng-ten được đặt cách nhau đủ gần, các biện pháp bổ sung có thể cần thiết để tăng mức độ cô lập.

Cấu trúc Khoảng Cách Băng Tần Điện Từ (EBG) để Cô Lập

Ngay cả khi bạn chưa bao giờ nghe về cấu trúc khoảng cách băng tần điện từ (EBG), có lẽ bạn đã nghe về hàng rào via. Hàng rào via có lẽ là loại cấu trúc EBG đơn giản nhất mà bạn sẽ gặp trong hầu hết các thiết kế RF, nhưng các biến thể của cấu trúc hàng rào via có thể được thiết kế để cung cấp sự cô lập băng thông rộng giữa các mảng ăng-ten. Những cấu trúc này có thể được sử dụng để giải quyết hai trong số bốn điểm cô lập được liệt kê ở trên: sự kìm hãm sóng bề mặt và sự kìm hãm chế độ sóng dẫn.

Về mặt khái niệm, những cấu trúc này có thể được phân tích theo điện môi hoặc sử dụng mô hình mạch; cả hai khía cạnh đều cung cấp sự hiểu biết về cách những cấu trúc này hỗ trợ cô lập. Về mặt mô hình mạch, những cấu trúc này có thể được phân tích như là các bộ lọc LC bandstop, tạo ra trở kháng cao tại tần số cộng hưởng cho cấu trúc. Đặt nhiều cấu trúc EBG song song (tức là, trên nhiều lớp) hoặc nối tiếp (tức là, cạnh nhau trên cùng một lớp), cho phép điều chỉnh chính xác tần số cộng hưởng và băng thông đến các giá trị mong muốn. Hơn nữa, xếp chồng song song hiệu quả tạo thành một bộ lọc cấp cao hơn và thu hẹp băng thông của cấu trúc.

Mặc dù cấu trúc EBG chiếm nhiều không gian bảng mạch hơn so với hàng rào via, chúng có thể được thiết kế để cung cấp mức cô lập cao hơn nhiều. Ngoài việc cung cấp cô lập ăng-ten thông qua việc ngăn chặn sóng bề mặt và chế độ sóng dẫn, cấu trúc EBG cũng giúp ngăn chặn tiếng ồn chuyển mạch đồng thời (SSN) trong một PDN. Điều này làm cho chúng khá hữu ích cho các thành phần tương tự hoạt động ở một tần số duy nhất hoặc một số lượng nhỏ tần số, nhưng chúng không hữu ích lắm cho PDN số. Điều này là bởi, giống như tín hiệu số, SSN trong một PDN số xảy ra trên một băng thông rộng. Hãy xem bài viết này của IEEE để biết thêm thông tin về cấu trúc EBG.

Các công cụ thiết kế và phân tích trong Altium Designer® có thể giúp bạn thiết kế mạng lưới khớp, phân tích mô hình mạch cho EBGs, hoặc sắp xếp bảng mạch của bạn để đảm bảo cách ly đủ. Công cụ sắp xếp là lý tưởng cho việc thiết kế EBGs trên bảng mạch của bạn, và công cụ mô phỏng của nó có thể giúp bạn điều chỉnh mạng lưới khớp của mình và phân tích mô hình mạch cho các cấu trúc cách ly của bạn. Altium Designer cũng bao gồm một bộ công cụ tích hợp để xây dựng sơ đồ, quản lý linh kiện, và chuẩn bị các sản phẩm giao cho nhà sản xuất của bạn.

Giờ đây, bạn có thể tải về bản dùng thử miễn phí của Altium Designer và tìm hiểu thêm về các công cụ sắp xếp, mô phỏng, và lập kế hoạch sản xuất tốt nhất trong ngành. Nói chuyện với một chuyên gia Altium ngày hôm nay để tìm hiểu thêm.