Kľúčové body tohto článku.
-RF antény prichádzajú v mnohých formách, od plochých antén integrovaných do čipu až po medené antény vytlačené priamo na doske plošných spojov.
-Pri vytváraní rozloženia s jednou alebo viacerými anténami je dôležité zabezpečiť, aby boli rôzne bloky obvodov dosky plošných spojov navzájom izolované.
-Pri navrhovaní RF antény by sa mali použiť nástroje CAD, ktoré môžu pomôcť navrhnúť izolované štruktúry, prechodové štruktúry a dokonca aj tlačené antény pre PCB.
Dnes si už len ťažko vieme predstaviť výrobok spotrebnej elektroniky, ktorý neobsahuje anténu a dokonca aj otvárače garážových brán je možné pripojiť k mobilnému telefónu cez Bluetooth alebo WiFi. Zakaždým, keď je do rozloženia PCB pridaná nová RF anténa, vytvára to pre dizajnéra RF nové výzvy, najmä preto, že súčasné návrhy sa opäť zameriavajú na zručnosti analógového dizajnu. S toľkými RF funkciami pridanými do nových PCB, ako môžu dizajnéri zabezpečiť, aby signál v systéme nebol poškodený a aby bola zachovaná integrita signálu?
Niektoré jednoduché možnosti dizajnu môžu zabezpečiť, že RF signály nebudú zoslabované blízkymi digitálnymi komponentmi, ale tiež pomôžu zabrániť interferencii medzi viacerými analógovými signálmi. Aj keď pri navrhovaní systému so zmiešaným signálom alebo plného RF systému je potrebné zvážiť veľa aspektov návrhu RF, návrh a usporiadanie antény sú pravdepodobne dva najdôležitejšie. Nižšie sa dozvieme o dizajne RF antény v rozložení PCB a ako zabezpečiť integritu analógového signálu.
Základy návrhu RF antény
Pri navrhovaní vlastnej antény alebo výbere COTS antény pre RF PCB je potrebné dodržiavať niekoľko základných bodov. Všetky RF antény majú niektoré špeciálne vlastnosti, ktoré by sa mali zvážiť vo fáze návrhu. Každá anténa musí mať nasledujúce komponenty.
-Plávajúci vodivý žiarič: anténna jednotka používaná na vyžarovanie žiarenia.
-Referenčná rovina: referenčná rovina alebo jednotka antény pomáha určiť smerovosť štruktúry antény v každom režime antény.
- Prívodné vedenie: prívodné vedenie sa používa na prenos vstupného signálu z RF prvku do vyžarovacej anténnej jednotky.
-Impedančná prispôsobovacia sieť: Anténa má zvyčajne impedanciu približne 10 ohmov, a preto je potrebné ju prispôsobiť impedancii napájacieho vedenia, aby sa predišlo odrazom a zabezpečil sa maximálny prenos energie pri požadovanej nosnej frekvencii a šírke pásma.
Mnohé štandardné návrhy antén boli dobre preštudované. Na internete je možné nájsť množstvo referenčných návrhov, ktoré je možné následne skopírovať do vlastného rozloženia PCB. Mnoho návrhových vzorcov pre štandardné anténne konštrukcie nájdeme aj v učebniciach mikrovlnného inžinierstva. Nakoniec, ak niekto chce použiť COTS RF anténu, na trhu je k dispozícii veľa lacných dizajnov. Bez ohľadu na to, ktorú RF anténu sa rozhodnete použiť, musí byť starostlivo umiestnená v rozložení, aby sa zabránilo interferencii medzi rôznymi časťami dosky.
Tipy na usporiadanie RF antény
Po navrhnutí antény musíte určiť, kam na doske plošných spojov ju umiestniť. RF dizajnéri môžu získať niekoľko tipov od dizajnérov zmiešaných signálov (väčšina RF dosiek sú v skutočnosti dosky so zmiešaným signálom), aby sa zabránilo interferencii medzi RF front-end, back-end a digitálnymi sekciami.
-Efektívne žiarenie: navrhnuté tak, aby zabezpečilo, že žiarenie z anténnej jednotky opustí dosku a nebude zachytené inými štruktúrami v rozložení PCB.
-Izolácia: Opäť nechceme, aby sa viaceré časti rozloženia PCB navzájom priamo rušili.
-Elektromagnetická kompatibilita (EMC): Nakoniec je potrebné zabezpečiť, aby usporiadanie neprijímalo signály z iných zariadení, ktoré môžu vysielať signály v širokom rozsahu frekvencií.
V skutočnom dizajne PCB si väčšina dizajnových cieľov konkuruje, ale treba dodržať dva kľúčové body, ktoré pomôžu vyvážiť tieto dizajnové ciele.
Udržujte bloky obvodov oddelené od seba v rozložení PCB
Toto je základný návrhový bod PCB so zmiešaným signálom a vzťahuje sa aj na usporiadanie RF antény. Sekcia antény musí byť umiestnená na doske a oddelená od ostatných obvodových blokov. Vo všeobecnosti je najlepšie umiestniť časť antény blízko okraja dosky a ďalej od ostatných analógových komponentov. To obmedzuje silné vyžarovanie na jedno miesto na doske a zaisťuje minimálne rušenie medzi sekciami.
Výzvou pri prepájaní je zabezpečiť, aby si spätné cesty rôznych sekcií navzájom neprekážali, čo by inak viedlo k rušeniu a presluchom. Použitie poľného riešiteľa integrovaného v pokročilom nástroji na návrh DPS pomôže odhaliť odchýlky v spätnej ceste pri vytváraní rozloženia. Pre vysokofrekvenčné návrhy použite súvislú štruktúru základnej roviny, aby ste zabezpečili konzistentnú spätnú cestu.
Izolované sekcie antény
Moderné mobilné telefóny a vysokorýchlostné dátové sieťové zariadenia využívajú kreatívne izolačné štruktúry, ktoré sa stali zlatým štandardom pre technológiu RF izolácie. Úplne jednoducho, izolácia je umiestnenie nejakého tienenia okolo komponentov citlivých na RF na doske, aby sa zastavilo šírenie vĺn medzi vysielačom a prijímačom. Nižšie uvedená tabuľka popisuje niektoré zo štruktúr, ktoré možno použiť v sekcii RF antény na izoláciu komponentov, napájacích vedení a antén alebo na izoláciu vonkajších zdrojov šumu.
Izolačné štruktúry sú zvyčajne umiestnené medzi RF komponentmi, aby sa zabránilo väzbe šumu a výmene energie medzi nimi. Určenie, ktorá izolačná štruktúra sa má použiť na zabezpečenie integrity signálu RF antény, je zložitým konštrukčným problémom, ktorý priemysel dôkladne preštudoval. Ak nie sme odborníkmi na eliptickú integráciu, musíme sa spoľahnúť na riešiče elektromagnetického (EM) poľa, aby sme určili, ako tieto štruktúry ovplyvňujú impedanciu napájacej/RF antény a úroveň izolácie, ktorú tieto štruktúry poskytujú.
Ak sa použije riešič EM poľa, je možné použiť simulácie blízkeho a vzdialeného poľa na určenie oblastí rozloženia PCB, kde sa vyskytujú silné emisie. Po identifikácii týchto oblastí spolu s vyžarovanými frekvenciami to pomôže určiť, aký typ stratégie izolácie by sa mal použiť. Najlepšie je použiť frekvenčnú doménu priamo (metóda FDFD) a nie použiť Fourierovu transformáciu na konverziu výsledkov FDTD.
Návrh a vytvorenie rozloženia RF antény si vyžaduje osobitnú pozornosť k detailom, takže má zmysel venovať zvýšenú pozornosť zaisteniu izolácie a integrity signálu RF dizajnu.
