Kernpunten van dit artikel.
-RF-antennes zijn er in vele vormen, van platte antennes die in de chip zijn geïntegreerd tot koperen antennes die direct op de printplaat zijn gedrukt.
-Bij het maken van een lay-out met één of meerdere antennes is het belangrijk om ervoor te zorgen dat de verschillende circuitblokken van de printplaat van elkaar geïsoleerd zijn.
-Bij het ontwerpen van een RF-antenne moeten CAD-tools worden gebruikt, die kunnen helpen bij het ontwerpen van geïsoleerde structuren, overgangsstructuren en zelfs gedrukte antennes voor de PCB.
Tegenwoordig is het moeilijk om een consumentenelektronicaproduct voor te stellen dat geen antenne bevat, en zelfs garagedeuropeners kunnen via Bluetooth of WiFi met een mobiele telefoon worden verbonden. Elke keer dat een nieuwe RF-antenne wordt toegevoegd aan een PCB-lay-out, creëert dit nieuwe uitdagingen voor de RF-ontwerper, vooral omdat de huidige ontwerpen zich weer richten op analoge ontwerpvaardigheden. Met zoveel RF-functies die aan nieuwe PCB's zijn toegevoegd, hoe kunnen ontwerpers ervoor zorgen dat het signaal in het systeem niet wordt beschadigd en dat de signaalintegriteit behouden blijft?
Enkele eenvoudige ontwerpkeuzes kunnen ervoor zorgen dat RF-signalen niet worden verzwakt door nabije digitale componenten, maar helpen ook interferentie tussen meerdere analoge signalen te voorkomen. Hoewel er veel RF-ontwerpaspecten zijn waarmee rekening moet worden gehouden bij het ontwerpen van een mixed-signal of volledig RF-systeem, zijn antenne-ontwerp en lay-out waarschijnlijk de twee belangrijkste. Hieronder leren we over het ontwerp van RF-antenne in de PCB-lay-out en hoe de integriteit van het analoge signaal te waarborgen.
Basisprincipes van het ontwerp van RF-antenne
Bij het ontwerpen van een aangepaste antenne of het selecteren van een COTS-antenne voor een RF-printplaat, zijn er verschillende basispunten die moeten worden gevolgd. Alle RF-antennes hebben enkele speciale kenmerken waarmee rekening moet worden gehouden tijdens de ontwerpfase. Elke antenne moet de volgende componenten hebben.
-Drijvende geleidende straler: de antenne-eenheid die wordt gebruikt om straling uit te zenden.
-Referentievlak: het referentievlak of de eenheid van de antenne helpt bij het bepalen van de richting van de antennestructuur in elke antennemodus.
-Feedline: feedline wordt gebruikt om het ingangssignaal van het RF-element naar de stralende antenne-eenheid te transporteren.
-Impedantie-aanpassingsnetwerk: de antenne heeft typisch een impedantie van ongeveer 10 ohm en moet daarom worden aangepast aan de voedingslijnimpedantie om reflecties te voorkomen en om maximale vermogensoverdracht bij de gewenste draaggolffrequentie en bandbreedte te garanderen.
Veel standaard antenne-ontwerpen zijn goed bestudeerd. Op internet zijn veel referentieontwerpen te vinden, die u vervolgens kunt kopiëren naar uw eigen printplaatlay-out. We kunnen ook veel ontwerpformules voor standaard antennestructuren vinden in handboeken voor microgolftechniek. Ten slotte, als men een COTS RF-antenne wil gebruiken, zijn er veel goedkope ontwerpen op de markt verkrijgbaar. Welke RF-antenne u ook kiest, deze moet zorgvuldig in de lay-out worden geplaatst om interferentie tussen de verschillende delen van het bord te voorkomen.
Tips voor de indeling van de RF-antenne
Na het ontwerpen van de antenne moet je bepalen waar je deze op de print moet plaatsen. RF-ontwerpers kunnen enkele tips krijgen van mixed-signal-ontwerpers (de meeste RF-kaarten zijn eigenlijk mixed-signal-boards) om interferentie tussen de RF-front-end, back-end en digitale secties te voorkomen.
-Efficiënte straling: ontworpen om ervoor te zorgen dat de straling van de antenne-eenheid het bord verlaat en niet wordt opgepikt door andere structuren in de PCB-lay-out.
-Isolatie: Nogmaals, we willen niet dat meerdere delen van de PCB-lay-out rechtstreeks met elkaar interfereren.
-Elektromagnetische compatibiliteit (EMC): Ten slotte moet ervoor worden gezorgd dat de lay-out geen signalen ontvangt van andere apparaten die signalen in een breed frequentiebereik kunnen uitzenden.
Bij het daadwerkelijke ontwerp van een printplaat concurreren de meeste ontwerpdoelen, maar er zijn twee belangrijke punten die moeten worden gevolgd om deze ontwerpdoelen in evenwicht te brengen.
Houd schakelblokken van elkaar gescheiden in de printplaatlay-out
Dit is een basisontwerp voor PCB's met gemengd signaal, en het is ook van toepassing op de lay-out van de RF-antenne. Het antennegedeelte moet op het bord worden geplaatst en gescheiden van de andere circuitblokken. Over het algemeen is het het beste om het antennegedeelte dicht bij de rand van het bord te plaatsen en uit de buurt van andere analoge componenten. Dit beperkt de sterke straling tot één plek op het bord en zorgt voor minimale interferentie tussen de secties.
De uitdaging bij meshing is ervoor te zorgen dat de retourpaden van de verschillende secties elkaar niet hinderen, wat anders zou leiden tot ruiskoppeling en overspraak. Het gebruik van de veldoplosser die is geïntegreerd in de geavanceerde PCB-ontwerptool helpt bij het detecteren van afwijkingen in het retourpad bij het maken van de lay-out. Gebruik voor hoogfrequente ontwerpen een doorlopende grondvlakstructuur om een consistent retourpad te garanderen.
Geïsoleerde antennesecties
Moderne mobiele telefoons en high-speed datanetwerkapparaten maken gebruik van creatieve isolatiestructuren die de gouden standaard zijn geworden voor RF-isolatietechnologie. Simpel gezegd, isolatie is het plaatsen van een afscherming rond de RF-gevoelige componenten op het bord om de voortplanting van golven tussen de zender en ontvanger te stoppen. De onderstaande tabel beschrijft enkele van de structuren die kunnen worden gebruikt in de sectie RF-antenne om componenten, voedingslijnen en antennes te isoleren of om externe ruisbronnen te isoleren.
Isolatiestructuren worden typisch tussen RF-componenten geplaatst om ruiskoppeling en vermogensuitwisseling daartussen te voorkomen. Bepalen welke isolatiestructuur moet worden gebruikt om de integriteit van het RF-antennesignaal te waarborgen, is een complex ontwerpprobleem dat grondig door de industrie is bestudeerd. Als we geen experts zijn in elliptische integratie, moeten we vertrouwen op elektromagnetische (EM) veldoplossers om te bepalen hoe deze structuren de impedantie van de voedingslijn/RF-antenne beïnvloeden, en het isolatieniveau dat deze structuren bieden.
Als een EM-veldoplosser wordt gebruikt, kunnen near-field en far-field-simulaties worden gebruikt om de gebieden van de PCB-lay-out te bepalen waar sterke emissies optreden. Zodra deze gebieden zijn geïdentificeerd, samen met de uitgezonden frequenties, zal het helpen bepalen welk type isolatiestrategie moet worden gebruikt. Het is het beste om het frequentiedomein rechtstreeks te gebruiken (FDFD-methode) in plaats van de Fourier-transformatie te gebruiken om de FDTD-resultaten om te zetten.
Het ontwerp en de lay-out van RF-antenne vereisen extra aandacht voor detail, dus het is logisch om extra zorg te besteden aan isolatie en signaalintegriteit van het RF-ontwerp.
