Puntos clave de este artículo.
-Las antenas de RF vienen en muchas formas, desde antenas planas integradas en el chip hasta antenas de cobre impresas directamente en la PCB.
-Al crear un diseño con una o más antenas, es importante asegurarse de que los diferentes bloques de circuitos de la PCB estén aislados entre sí.
-Al diseñar una antena de RF, se deben utilizar herramientas CAD, que pueden ayudar a diseñar estructuras aisladas, estructuras de transición e incluso antenas impresas para la PCB.
Hoy en día, es difícil imaginar un producto de electrónica de consumo que no incluya una antena, e incluso los abridores de puertas de garaje se pueden conectar a un teléfono celular a través de Bluetooth o WiFi. Cada vez que se agrega una nueva antena de RF a un diseño de PCB, crea nuevos desafíos para el diseñador de RF, especialmente porque los diseños actuales nuevamente se enfocan en las habilidades de diseño analógico. Con tantas funciones de RF que se agregan a los nuevos PCB, ¿cómo pueden los diseñadores garantizar que la señal en el sistema no se corrompa y que se mantenga la integridad de la señal?
Algunas opciones de diseño simples pueden garantizar que las señales de RF no se debiliten por los componentes digitales cercanos, pero también ayudarán a evitar la interferencia entre múltiples señales analógicas. Si bien hay muchos aspectos de diseño de RF a considerar al diseñar un sistema de señal mixta o de RF completo, el diseño y la distribución de la antena son probablemente los dos más importantes. A continuación, aprendemos sobre el diseño de antenas de RF en el diseño de PCB y cómo garantizar la integridad de la señal analógica.
Conceptos básicos del diseño de antenas de RF
Al diseñar una antena personalizada o seleccionar una antena COTS para una PCB RF, hay varios puntos básicos a seguir. Todas las antenas de RF tienen algunas características especiales que deben tenerse en cuenta durante la fase de diseño. Cada antena debe tener los siguientes componentes.
-Radiador conductor flotante: la unidad de antena utilizada para emitir radiación.
-Plano de referencia: el plano de referencia o unidad de la antena ayuda a determinar la direccionalidad de la estructura de la antena en cada modo de antena.
-Línea de alimentación: la línea de alimentación se utiliza para transportar la señal de entrada desde el elemento de RF a la unidad de antena radiante.
-Red de adaptación de impedancia: la antena suele tener una impedancia de unos 10 ohmios y, por lo tanto, debe adaptarse a la impedancia de la línea de alimentación para evitar reflejos y garantizar la máxima transferencia de potencia en la frecuencia portadora y el ancho de banda deseados.
Muchos diseños de antena estándar han sido bien estudiados. Se pueden encontrar muchos diseños de referencia en Internet, que luego se pueden copiar en su propio diseño de PCB. También podemos encontrar muchas fórmulas de diseño para estructuras de antena estándar en los libros de texto de ingeniería de microondas. Finalmente, si uno quiere usar una antena RF COTS, hay muchos diseños económicos disponibles en el mercado. Independientemente de la antena de RF que elija usar, debe colocarse con cuidado en el diseño para evitar interferencias entre las distintas partes de la placa.
Consejos de diseño de antena RF
Después de diseñar la antena, debe determinar en qué parte de la PCB debe colocarla. Los diseñadores de RF pueden obtener algunos consejos de los diseñadores de señales mixtas (la mayoría de las placas de RF son en realidad placas de señales mixtas) para evitar interferencias entre las secciones digital, frontal y trasera de RF.
-Radiación eficiente: diseñado para garantizar que la radiación de la unidad de antena salga de la placa y no sea captada por otras estructuras en el diseño de PCB.
-Aislamiento: Nuevamente, no queremos que varias partes del diseño de PCB interfieran directamente entre sí.
-Compatibilidad electromagnética (EMC): Finalmente, es necesario asegurarse de que el diseño no reciba señales de otros dispositivos que puedan emitir señales en una amplia gama de frecuencias.
En el diseño real de una PCB, la mayoría de los objetivos de diseño compiten, pero hay dos puntos clave a seguir que ayudarán a equilibrar estos objetivos de diseño.
Mantenga los bloques de circuitos separados entre sí en el diseño de PCB
Este es un punto básico de diseño de PCB de señal mixta y también se aplica al diseño de la antena de RF. La sección de la antena debe colocarse en el tablero y separarse de los otros bloques de circuitos. En general, es mejor colocar la sección de la antena cerca del borde de la placa y alejada de otros componentes analógicos. Esto limita la fuerte radiación a una ubicación en el tablero y asegura una interferencia mínima entre las secciones.
El desafío con el mallado es garantizar que las rutas de retorno de las diferentes secciones no interfieran entre sí, lo que de otro modo conduciría a un acoplamiento de ruido y diafonía. El uso del solucionador de campo integrado en la herramienta avanzada de diseño de PCB ayudará a detectar desviaciones en la ruta de retorno al crear el diseño. Para diseños de alta frecuencia, utilice una estructura de plano de tierra continua para garantizar una ruta de retorno constante.
Secciones de antena aisladas
Los teléfonos móviles modernos y los dispositivos de redes de datos de alta velocidad emplean estructuras de aislamiento creativas que se han convertido en el estándar de oro para la tecnología de aislamiento de RF. Sencillamente, el aislamiento es la colocación de algún blindaje alrededor de los componentes sensibles a RF en la placa para detener la propagación de ondas entre el transmisor y el receptor. La siguiente tabla describe algunas de las estructuras que se pueden usar en la sección de la antena de RF para aislar componentes, líneas de alimentación y antenas, o para aislar fuentes de ruido externas.
Las estructuras de aislamiento generalmente se colocan entre los componentes de RF para evitar el acoplamiento de ruido y el intercambio de energía entre ellos. Determinar qué estructura de aislamiento usar para garantizar la integridad de la señal de la antena de RF es un problema de diseño complejo que la industria ha estudiado minuciosamente. Si no somos expertos en integración elíptica, debemos confiar en los solucionadores de campos electromagnéticos (EM) para determinar cómo estas estructuras afectan la impedancia de la línea de alimentación/antena de RF y el nivel de aislamiento que brindan estas estructuras.
Si se usa un solucionador de campo EM, se pueden usar simulaciones de campo cercano y campo lejano para determinar las áreas del diseño de PCB donde se producen emisiones fuertes. Una vez que se identifiquen estas áreas, junto con las frecuencias emitidas, ayudará a determinar qué tipo de estrategia de aislamiento se debe usar. Es mejor usar el dominio de frecuencia directamente (método FDFD) en lugar de usar la transformada de Fourier para convertir los resultados de FDTD.
El diseño de la antena de RF y la creación del diseño requieren una atención adicional a los detalles, por lo que tiene sentido tener un cuidado especial para garantizar el aislamiento y la integridad de la señal del diseño de RF.
