Pontos-chave deste artigo.
-As antenas de RF vêm em muitas formas, desde antenas planas integradas no chip até antenas de cobre impressas diretamente no PCB.
-Ao criar um layout com uma ou mais antenas, é importante garantir que os diferentes blocos de circuitos da PCB estejam isolados uns dos outros.
-Ao projetar uma antena de RF, devem ser usadas ferramentas CAD, que podem ajudar a projetar estruturas isoladas, estruturas de transição e até antenas impressas para o PCB.
Hoje, é difícil imaginar um produto eletrônico de consumo que não inclua uma antena, e até mesmo os abridores de porta de garagem podem ser conectados a um telefone celular via Bluetooth ou WiFi. Toda vez que uma nova antena de RF é adicionada a um layout de PCB, ela cria novos desafios para o projetista de RF, especialmente porque os projetos atuais estão novamente focando nas habilidades de projeto analógico. Com tantos recursos de RF sendo adicionados aos novos PCBs, como os projetistas podem garantir que o sinal no sistema não seja corrompido e que a integridade do sinal seja mantida?
Algumas escolhas simples de design podem garantir que os sinais de RF não sejam enfraquecidos por componentes digitais próximos, mas também ajudarão a evitar interferência entre vários sinais analógicos. Embora existam muitos aspectos de design de RF a serem considerados ao projetar um sistema de sinal misto ou RF completo, o design e o layout da antena são provavelmente os dois mais importantes. Abaixo, aprendemos sobre o design da antena de RF no layout da PCB e como garantir a integridade do sinal analógico.
Noções básicas de design de antena de RF
Ao projetar uma antena personalizada ou selecionar uma antena COTS para um PCB de RF, há vários pontos básicos a serem seguidos. Todas as antenas de RF possuem algumas características especiais que devem ser consideradas durante a fase de projeto. Cada antena precisa ter os seguintes componentes.
-Radiador condutor flutuante: a unidade de antena utilizada para emitir radiação.
-Plano de referência: o plano de referência ou unidade da antena ajuda a determinar a direcionalidade da estrutura da antena em cada modo de antena.
-Feedline: feedline é usado para transportar o sinal de entrada do elemento RF para a unidade de antena radiante.
-Rede de correspondência de impedância: A antena normalmente tem uma impedância de cerca de 10 ohms e, portanto, precisa ser combinada com a impedância da linha de alimentação para evitar reflexões e garantir a transferência máxima de energia na frequência e largura de banda da portadora desejadas.
Muitos projetos de antenas padrão foram bem estudados. Muitos projetos de referência podem ser encontrados na Internet, que podem ser copiados em seu próprio layout de PCB. Também podemos encontrar muitas fórmulas de projeto para estruturas de antena padrão em livros de engenharia de micro-ondas. Finalmente, se alguém quiser usar uma antena COTS RF, existem muitos designs baratos disponíveis no mercado. Independentemente de qual antena de RF você escolher usar, ela precisa ser cuidadosamente colocada no layout para evitar interferência entre as várias partes da placa.
Dicas de layout de antena RF
Depois de projetar a antena, você precisa determinar onde na PCB você deve colocá-la. Os projetistas de RF podem obter algumas dicas de projetistas de sinais mistos (a maioria das placas de RF são, na verdade, placas de sinais mistos) para evitar interferência entre as seções de front-end, back-end e digital de RF.
- Radiação eficiente: projetada para garantir que a radiação da unidade de antena saia da placa e não seja captada por outras estruturas no layout da placa de circuito impresso.
-Isolamento: Novamente, não queremos que várias partes do layout da PCB interfiram diretamente umas nas outras.
-Compatibilidade Eletromagnética (EMC): Por fim, é necessário garantir que o layout não receba sinais de outros dispositivos que possam emitir sinais em uma ampla faixa de frequências.
No projeto real de um PCB, a maioria dos objetivos de projeto são concorrentes, mas há dois pontos-chave a seguir que ajudarão a equilibrar esses objetivos de projeto.
Mantenha os blocos de circuito separados uns dos outros no layout da PCB
Este é um ponto básico de design de PCB de sinal misto e também se aplica ao layout da antena de RF. A seção da antena precisa ser colocada na placa e separada dos outros blocos de circuito. Em geral, é melhor colocar a seção da antena perto da borda da placa e longe de outros componentes analógicos. Isso limita a radiação forte a um local na placa e garante interferência mínima entre as seções.
O desafio com a malha é garantir que os caminhos de retorno das diferentes seções não interfiram entre si, o que, de outra forma, levaria ao acoplamento de ruído e à diafonia. O uso do solucionador de campo integrado na ferramenta avançada de design de PCB ajudará a detectar desvios no caminho de retorno ao criar o layout. Para projetos de alta frequência, use uma estrutura de plano de aterramento contínuo para garantir um caminho de retorno consistente.
Seções de antena isoladas
Telefones celulares modernos e dispositivos de rede de dados de alta velocidade empregam estruturas de isolamento criativas que se tornaram o padrão-ouro para a tecnologia de isolamento de RF. Muito simplesmente, o isolamento é a colocação de alguma blindagem em torno dos componentes sensíveis de RF na placa para interromper a propagação de ondas entre o transmissor e o receptor. A tabela abaixo descreve algumas das estruturas que podem ser usadas na seção de antena de RF para isolar componentes, linhas de alimentação e antenas ou para isolar fontes externas de ruído.
As estruturas de isolamento são normalmente colocadas entre os componentes de RF para evitar o acoplamento de ruído e a troca de energia entre eles. Determinar qual estrutura de isolamento usar para garantir a integridade do sinal da antena de RF é um problema de projeto complexo que tem sido minuciosamente estudado pela indústria. Se não somos especialistas em integração elíptica, precisamos confiar em solucionadores de campo eletromagnético (EM) para determinar como essas estruturas afetam a impedância da linha de alimentação/antena de RF e o nível de isolamento que essas estruturas fornecem.
Se um solucionador de campo EM for usado, simulações de campo próximo e campo distante podem ser usadas para determinar as áreas do layout da PCB onde ocorrem fortes emissões. Uma vez identificadas essas áreas, juntamente com as frequências emitidas, ajudará a determinar qual tipo de estratégia de isolamento deve ser usada. É melhor usar o domínio da frequência diretamente (método FDFD) em vez de usar a transformada de Fourier para converter os resultados do FDTD.
O design da antena de RF e a criação do layout requerem atenção extra aos detalhes, por isso faz sentido tomar cuidado extra para garantir o isolamento e a integridade do sinal do design de RF.
