Points clés de cet article.
-Les antennes RF se présentent sous de nombreuses formes, des antennes plates intégrées dans la puce aux antennes en cuivre imprimées directement sur le PCB.
-Lors de la création d'un layout avec une ou plusieurs antennes, il est important de s'assurer que les différents blocs de circuits du PCB sont isolés les uns des autres.
-Lors de la conception d'une antenne RF, des outils de CAO doivent être utilisés, ce qui peut aider à concevoir des structures isolées, des structures de transition et même des antennes imprimées pour le PCB.
Aujourd'hui, il est difficile d'imaginer un produit électronique grand public sans antenne, et même les ouvre-portes de garage peuvent être connectés à un téléphone portable via Bluetooth ou WiFi. Chaque fois qu'une nouvelle antenne RF est ajoutée à une disposition de PCB, cela crée de nouveaux défis pour le concepteur RF, d'autant plus que les conceptions actuelles se concentrent à nouveau sur les compétences en conception analogique. Avec autant de fonctionnalités RF ajoutées aux nouveaux PCB, comment les concepteurs peuvent-ils s'assurer que le signal dans le système n'est pas corrompu et que l'intégrité du signal est maintenue ?
Certains choix de conception simples peuvent garantir que les signaux RF ne sont pas affaiblis par des composants numériques à proximité, mais aideront également à prévenir les interférences entre plusieurs signaux analogiques. Bien qu'il existe de nombreux aspects de conception RF à prendre en compte lors de la conception d'un système RF à signal mixte ou complet, la conception et la disposition de l'antenne sont probablement les deux plus importantes. Ci-dessous, nous découvrons la conception d'antennes RF dans la disposition des circuits imprimés et comment assurer l'intégrité du signal analogique.
Principes de base de la conception d'antennes RF
Lors de la conception d'une antenne personnalisée ou de la sélection d'une antenne COTS pour un PCB RF, il y a plusieurs points de base à suivre. Toutes les antennes RF ont des caractéristiques particulières qui doivent être prises en compte lors de la phase de conception. Chaque antenne doit avoir les composants suivants.
-Radiateur conducteur flottant : l'unité d'antenne utilisée pour émettre un rayonnement.
-Plan de référence : le plan ou unité de référence de l'antenne permet de déterminer la directivité de la structure de l'antenne dans chaque mode d'antenne.
- Ligne d'alimentation : la ligne d'alimentation est utilisée pour transporter le signal d'entrée de l'élément RF à l'unité d'antenne rayonnante.
-Réseau d'adaptation d'impédance : L'antenne a généralement une impédance d'environ 10 ohms et doit donc être adaptée à l'impédance de la ligne d'alimentation pour éviter les réflexions et assurer un transfert de puissance maximal à la fréquence porteuse et à la bande passante souhaitées.
De nombreuses conceptions d'antennes standard ont été bien étudiées. De nombreuses conceptions de référence peuvent être trouvées sur Internet, qui peuvent ensuite être copiées dans votre propre schéma de circuit imprimé. Nous pouvons également trouver de nombreuses formules de conception pour les structures d'antenne standard dans les manuels d'ingénierie des micro-ondes. Enfin, si l'on veut utiliser une antenne RF COTS, il existe de nombreuses conceptions peu coûteuses disponibles sur le marché. Quelle que soit l'antenne RF que vous choisissez d'utiliser, elle doit être soigneusement placée dans la disposition pour éviter les interférences entre les différentes parties de la carte.
Conseils de disposition de l'antenne RF
Après avoir conçu l'antenne, vous devez déterminer où vous devez la placer sur le circuit imprimé. Les concepteurs RF peuvent obtenir des conseils de la part des concepteurs de signaux mixtes (la plupart des cartes RF sont en fait des cartes à signaux mixtes) pour éviter les interférences entre les sections RF frontale, dorsale et numérique.
-Rayonnement efficace : conçu pour garantir que le rayonnement de l'unité d'antenne quitte la carte et n'est pas capté par d'autres structures dans la configuration du circuit imprimé.
-Isolation : Encore une fois, nous ne voulons pas que plusieurs parties de la disposition du circuit imprimé interfèrent directement les unes avec les autres.
- Compatibilité électromagnétique (CEM) : Enfin, il est nécessaire de s'assurer que le réseau ne reçoit pas de signaux d'autres appareils susceptibles d'émettre des signaux dans une large gamme de fréquences.
Dans la conception réelle d'un PCB, la plupart des objectifs de conception sont en concurrence, mais il y a deux points clés à suivre qui aideront à équilibrer ces objectifs de conception.
Gardez les blocs de circuit séparés les uns des autres dans la disposition du circuit imprimé
Il s'agit d'un point de conception de PCB à signaux mixtes de base, et il s'applique également à la disposition de l'antenne RF. La section d'antenne doit être placée sur la carte et séparée des autres blocs de circuit. En général, il est préférable de placer la section d'antenne près du bord de la carte et à l'écart des autres composants analogiques. Cela limite le fort rayonnement à un seul endroit sur la carte et garantit une interférence minimale entre les sections.
Le défi du maillage est de s'assurer que les chemins de retour des différentes sections n'interfèrent pas les uns avec les autres, ce qui conduirait autrement à un couplage de bruit et à une diaphonie. L'utilisation du solveur de champ intégré dans l'outil de conception de PCB avancé aidera à détecter les écarts dans le chemin de retour lors de la création de la mise en page. Pour les conceptions à haute fréquence, utilisez une structure de plan de masse continue pour assurer un chemin de retour cohérent.
Sections d'antenne isolées
Les téléphones cellulaires modernes et les dispositifs de mise en réseau de données à haut débit utilisent des structures d'isolation créatives qui sont devenues la référence en matière de technologie d'isolation RF. Tout simplement, l'isolation est le placement d'un blindage autour des composants sensibles aux RF sur la carte pour arrêter la propagation des ondes entre l'émetteur et le récepteur. Le tableau ci-dessous décrit certaines des structures qui peuvent être utilisées dans la section d'antenne RF pour isoler les composants, les lignes d'alimentation et les antennes, ou pour isoler les sources de bruit externes.
Les structures d'isolation sont généralement placées entre les composants RF pour empêcher le couplage de bruit et l'échange de puissance entre eux. La détermination de la structure d'isolation à utiliser pour assurer l'intégrité du signal d'antenne RF est un problème de conception complexe qui a été étudié en profondeur par l'industrie. Si nous ne sommes pas des experts en intégration elliptique, nous devons nous appuyer sur des solveurs de champ électromagnétique (EM) pour déterminer comment ces structures affectent l'impédance de la ligne d'alimentation/antenne RF, et le niveau d'isolation que ces structures fournissent.
Si un solveur de champ EM est utilisé, des simulations en champ proche et en champ lointain peuvent être utilisées pour déterminer les zones de la disposition du PCB où de fortes émissions se produisent. Une fois ces zones identifiées, ainsi que les fréquences émises, cela aidera à déterminer le type de stratégie d'isolement à utiliser. Il est préférable d'utiliser directement le domaine fréquentiel (méthode FDFD) plutôt que d'utiliser la transformée de Fourier pour convertir les résultats FDTD.
La conception et la création de la disposition des antennes RF nécessitent une attention particulière aux détails, il est donc logique de prendre des précautions supplémentaires pour assurer l'isolation et l'intégrité du signal de la conception RF.
