Huvudpunkterna i denna artikel.
-RF-antenner finns i många former, från platta antenner integrerade i chipet till kopparantenner tryckta direkt på PCB:n.
-När man skapar en layout med en eller flera antenner är det viktigt att se till att kretskortets olika kretsblock är isolerade från varandra.
-När man designar en RF-antenn bör CAD-verktyg användas, som kan hjälpa till att designa isolerade strukturer, övergångsstrukturer och till och med tryckta antenner för PCB.
Idag är det svårt att föreställa sig en hemelektronikprodukt som inte inkluderar en antenn, och även garageportsöppnare kan kopplas till en mobiltelefon via Bluetooth eller WiFi. Varje gång en ny RF-antenn läggs till i en PCB-layout skapar det nya utmaningar för RF-designern, speciellt eftersom nuvarande design återigen fokuserar på analog design. Med så många RF-funktioner som läggs till i nya PCB, hur kan designers säkerställa att signalen i systemet inte är skadad och att signalintegriteten bibehålls?
Vissa enkla designval kan säkerställa att RF-signaler inte försvagas av närliggande digitala komponenter, men kommer också att hjälpa till att förhindra störningar mellan flera analoga signaler. Även om det finns många RF-designaspekter att ta hänsyn till när man designar ett system med blandad signal eller ett komplett RF-system, är antenndesign och layout förmodligen de två viktigaste. Nedan lär vi oss om RF-antenndesign i PCB-layout och hur man säkerställer analog signalintegritet.
Grundläggande design för RF-antenn
När du designar en anpassad antenn eller väljer en COTS-antenn för ett RF-kretskort finns det flera grundläggande punkter att följa. Alla RF-antenner har några speciella egenskaper som bör beaktas under designfasen. Varje antenn måste ha följande komponenter.
-Flytande ledande radiator: antennenheten som används för att avge strålning.
-Referensplan: antennens referensplan eller enhet hjälper till att bestämma antennstrukturens riktning i varje antennläge.
-Matningslinje: matningslinje används för att transportera insignalen från RF-elementet till den strålande antennenheten.
-Impedansmatchande nätverk: Antennen har vanligtvis en impedans på cirka 10 ohm och måste därför anpassas till matningsledningsimpedansen för att förhindra reflektioner och för att säkerställa maximal effektöverföring vid önskad bärfrekvens och bandbredd.
Många standardantennkonstruktioner har studerats väl. Många referensdesigner finns på Internet, som sedan kan kopieras till din egen PCB-layout. Vi kan också hitta många designformler för standardantennstrukturer i läroböcker för mikrovågsteknik. Slutligen, om man vill använda en COTS RF-antenn, finns det många billiga mönster tillgängliga på marknaden. Oavsett vilken RF-antenn du väljer att använda behöver den placeras noggrant i layouten för att förhindra störningar mellan kortets olika delar.
Tips för RF-antennlayout
Efter att ha designat antennen måste du bestämma var på PCB:n du ska placera den. RF-designers kan få några tips från designers med blandade signaler (de flesta RF-kort är faktiskt blandade signalkort) för att förhindra störningar mellan RF-front-end, back-end och digitala sektioner.
-Effektiv strålning: utformad för att säkerställa att strålningen från antennenheten lämnar kortet och inte tas upp av andra strukturer i PCB-layouten.
-Isolering: Återigen, vi vill inte att flera delar av PCB-layouten ska störa varandra direkt.
-Elektromagnetisk kompatibilitet (EMC): Slutligen är det nödvändigt att se till att layouten inte tar emot signaler från andra enheter som kan sända ut signaler inom ett brett spektrum av frekvenser.
I själva designen av ett PCB konkurrerar de flesta designmålen, men det finns två nyckelpunkter att följa som kommer att hjälpa till att balansera dessa designmål.
Håll kretsblocken åtskilda från varandra i PCB-layouten
Detta är en grundläggande designpunkt för PCB med blandade signaler, och den gäller även för RF-antennens layout. Antennsektionen måste placeras på kortet och separeras från de andra kretsblocken. I allmänhet är det bäst att placera antennsektionen nära kanten av kortet och bort från andra analoga komponenter. Detta begränsar den starka strålningen till en plats på kortet och säkerställer minimal interferens mellan sektionerna.
Utmaningen med meshing är att se till att de olika sektionernas returvägar inte stör varandra, vilket annars skulle leda till bruskoppling och överhörning. Att använda fältlösaren integrerad i det avancerade PCB-designverktyget hjälper till att upptäcka avvikelser i returvägen när layouten skapas. För högfrekvenskonstruktioner, använd en kontinuerlig jordplansstruktur för att säkerställa en konsekvent returväg.
Isolerade antennsektioner
Moderna mobiltelefoner och höghastighetsdatanätverk använder kreativa isoleringsstrukturer som har blivit guldstandarden för RF-isoleringsteknik. Helt enkelt är isolering placeringen av viss skärmning runt de RF-känsliga komponenterna på kortet för att stoppa utbredningen av vågor mellan sändaren och mottagaren. Tabellen nedan beskriver några av de strukturer som kan användas i RF-antennsektionen för att isolera komponenter, matningsledningar och antenner eller för att isolera externa bruskällor.
Isoleringsstrukturer placeras vanligtvis mellan RF-komponenter för att förhindra bruskoppling och effektutbyte mellan dem. Att bestämma vilken isoleringsstruktur som ska användas för att säkerställa integriteten hos RF-antennsignalen är ett komplext designproblem som har studerats grundligt av industrin. Om vi inte är experter på elliptisk integration måste vi förlita oss på elektromagnetiska (EM) fältlösare för att avgöra hur dessa strukturer påverkar impedansen hos matningsledningen/RF-antennen och isoleringsnivån som dessa strukturer ger.
Om en EM-fältlösare används, kan närfälts- och fjärrfältsimuleringar användas för att bestämma de områden av PCB-layouten där starka emissioner förekommer. När dessa områden väl har identifierats, tillsammans med de frekvenser som avges, kommer det att hjälpa till att bestämma vilken typ av isoleringsstrategi som ska användas. Det är bäst att använda frekvensdomänen direkt (FDFD-metoden) istället för att använda Fouriertransformen för att konvertera FDTD-resultaten.
RF-antenndesign och skapandet av layout kräver extra uppmärksamhet på detaljer, så det är vettigt att vara extra försiktig för att säkerställa isolering och signalintegritet hos RF-designen.
