نکات طراحی و ایجاد چیدمان آنتن PCB RF

نکات کلیدی این مقاله

-آنتن‌های RF در اشکال مختلفی وجود دارند، از آنتن‌های تخت ادغام شده در تراشه گرفته تا آنتن‌های مسی که مستقیماً روی PCB چاپ می‌شوند.

- هنگام ایجاد یک طرح با یک یا چند آنتن، مهم است که اطمینان حاصل شود که بلوک های مدار مختلف PCB از یکدیگر جدا شده اند.

- هنگام طراحی آنتن RF باید از ابزارهای CAD استفاده شود که می تواند به طراحی ساختارهای ایزوله، ساختارهای انتقالی و حتی آنتن های چاپ شده برای PCB کمک کند.

امروزه تصور یک محصول الکترونیکی مصرفی که شامل آنتن نباشد سخت است و حتی درب بازکن های گاراژ را می توان از طریق بلوتوث یا وای فای به تلفن همراه متصل کرد. هر بار که یک آنتن RF جدید به چیدمان PCB اضافه می شود، چالش های جدیدی را برای طراح RF ایجاد می کند، به خصوص که طراحی های فعلی دوباره بر مهارت های طراحی آنالوگ تمرکز می کنند. با اضافه شدن بسیاری از ویژگی های RF به PCB های جدید، طراحان چگونه می توانند اطمینان حاصل کنند که سیگنال در سیستم خراب نشده و یکپارچگی سیگنال حفظ می شود؟

برخی از انتخاب‌های طراحی ساده می‌توانند تضمین کنند که سیگنال‌های RF توسط اجزای دیجیتال مجاور ضعیف نمی‌شوند، اما همچنین به جلوگیری از تداخل بین سیگنال‌های آنالوگ متعدد کمک می‌کنند. در حالی که بسیاری از جنبه های طراحی RF وجود دارد که باید هنگام طراحی یک سیستم سیگنال مختلط یا سیستم RF کامل در نظر گرفت، طراحی آنتن و چیدمان احتمالاً دو مورد از مهمترین آنها هستند. در زیر با طراحی آنتن RF در طرح PCB و نحوه اطمینان از یکپارچگی سیگنال آنالوگ آشنا می شویم.

اصول طراحی آنتن RF

هنگام طراحی یک آنتن سفارشی یا انتخاب آنتن COTS برای PCB RF، چندین نکته اساسی وجود دارد که باید رعایت شود. تمامی آنتن های RF دارای ویژگی های خاصی هستند که باید در مرحله طراحی در نظر گرفته شوند. هر آنتن باید دارای اجزای زیر باشد.

- رادیاتور رسانا شناور: واحد آنتنی که برای انتشار تشعشع استفاده می شود.

- صفحه مرجع: صفحه مرجع یا واحد آنتن به تعیین جهت ساختار آنتن در هر حالت آنتن کمک می کند.

-Feedline: خط تغذیه برای انتقال سیگنال ورودی از عنصر RF به واحد آنتن تابشی استفاده می شود.

- شبکه تطبیق امپدانس: آنتن معمولاً دارای امپدانس حدود 10 اهم است و بنابراین برای جلوگیری از بازتاب و اطمینان از انتقال حداکثر توان در فرکانس حامل و پهنای باند مورد نظر باید با امپدانس خط تغذیه مطابقت داده شود.

بسیاری از طرح های استاندارد آنتن به خوبی مورد مطالعه قرار گرفته اند. بسیاری از طرح‌های مرجع را می‌توان در اینترنت یافت، که سپس می‌توان آنها را در طرح‌بندی PCB خود کپی کرد. همچنین می‌توانیم فرمول‌های طراحی بسیاری را برای ساختارهای استاندارد آنتن در کتاب‌های درسی مهندسی مایکروویو پیدا کنیم. در نهایت، اگر کسی بخواهد از آنتن COTS RF استفاده کند، طرح های ارزان قیمت زیادی در بازار موجود است. صرف نظر از اینکه کدام آنتن RF را برای استفاده انتخاب می کنید، باید به دقت در طرح قرار داده شود تا از تداخل بین قسمت های مختلف برد جلوگیری شود.

نکات چیدمان آنتن RF

پس از طراحی آنتن، باید مشخص کنید که در کجای PCB باید آن را قرار دهید. طراحان RF می توانند نکاتی را از طراحان سیگنال مختلط دریافت کنند (بیشتر بردهای RF در واقع بردهای سیگنال مختلط هستند) تا از تداخل بین بخش جلویی، پشتی و دیجیتالی RF جلوگیری کنند.

تابش کارآمد: طراحی شده برای اطمینان از اینکه تشعشعات واحد آنتن از برد خارج می شود و توسط ساختارهای دیگر در طرح PCB گرفته نمی شود.

-Isolation: باز هم، ما نمی خواهیم چندین بخش از طرح PCB به طور مستقیم با یکدیگر تداخل داشته باشند.

-سازگاری الکترومغناطیسی (EMC): در نهایت، لازم است اطمینان حاصل شود که چیدمان سیگنال‌هایی را از دستگاه‌های دیگر که ممکن است سیگنال‌هایی در طیف وسیعی از فرکانس‌ها منتشر کنند، دریافت نکند.

در طراحی واقعی یک PCB، بیشتر اهداف طراحی با هم رقابت می کنند، اما دو نکته کلیدی وجود دارد که به تعادل این اهداف طراحی کمک می کند.

بلوک های مدار را در طرح مدار چاپی جدا از یکدیگر نگه دارید

این یک نقطه طراحی پایه مدار چاپی سیگنال مختلط است، و همچنین برای طرح آنتن RF اعمال می شود. بخش آنتن باید روی برد قرار گیرد و از سایر بلوک های مدار جدا شود. به طور کلی، بهتر است قسمت آنتن را نزدیک به لبه برد و دور از سایر اجزای آنالوگ قرار دهید. این تابش قوی را به یک مکان روی تخته محدود می کند و حداقل تداخل بین بخش ها را تضمین می کند.

چالش مش بندی این است که اطمینان حاصل شود که مسیرهای برگشت بخش های مختلف با یکدیگر تداخل نداشته باشند، که در غیر این صورت منجر به کوپلینگ نویز و تداخل می شود. استفاده از حل کننده میدان ادغام شده در ابزار طراحی پیشرفته PCB به تشخیص انحرافات در مسیر برگشت هنگام ایجاد طرح کمک می کند. برای طراحی های فرکانس بالا، از یک ساختار صفحه زمین پیوسته برای اطمینان از مسیر برگشت ثابت استفاده کنید.

بخش های آنتن ایزوله

تلفن های همراه مدرن و دستگاه های شبکه داده پرسرعت از ساختارهای جداسازی خلاقانه ای استفاده می کنند که به استاندارد طلایی فناوری جداسازی RF تبدیل شده است. به طور ساده، ایزوله قرار دادن برخی محافظ ها در اطراف اجزای حساس RF روی برد برای جلوگیری از انتشار امواج بین فرستنده و گیرنده است. جدول زیر برخی از ساختارهایی را که می توان در بخش آنتن RF برای جداسازی قطعات، خطوط تغذیه و آنتن ها یا جداسازی منابع نویز خارجی مورد استفاده قرار داد، توضیح می دهد.

سازه های ایزوله معمولاً بین اجزای RF قرار می گیرند تا از جفت شدن نویز و تبادل توان بین آنها جلوگیری شود. تعیین ساختار جداسازی برای اطمینان از یکپارچگی سیگنال آنتن RF یک مشکل طراحی پیچیده است که به طور کامل توسط صنعت مورد مطالعه قرار گرفته است. اگر در ادغام بیضوی متخصص نیستیم، باید به حل‌کننده‌های میدان الکترومغناطیسی (EM) تکیه کنیم تا تعیین کنیم چگونه این ساختارها بر امپدانس آنتن خط تغذیه/RF و سطح ایزوله‌ای که این ساختارها ارائه می‌کنند، تأثیر می‌گذارند.

اگر از یک حل‌کننده میدان EM استفاده شود، می‌توان از شبیه‌سازی‌های میدان نزدیک و میدان دور برای تعیین مناطقی از طرح PCB که در آن انتشارات قوی رخ می‌دهد استفاده کرد. پس از شناسایی این مناطق، همراه با فرکانس های منتشر شده، به تعیین نوع استراتژی ایزوله سازی کمک خواهد کرد. بهتر است به جای استفاده از تبدیل فوریه برای تبدیل نتایج FDTD، از دامنه فرکانس به طور مستقیم استفاده شود (روش FDFD).

طراحی آنتن RF و ایجاد چیدمان نیاز به توجه بیشتری به جزئیات دارد، بنابراین منطقی است که برای اطمینان از انزوا و یکپارچگی سیگنال طراحی RF دقت بیشتری داشته باشید.