Những điểm chính của bài viết này.
- Ăng-ten RF có nhiều dạng, từ ăng-ten phẳng được tích hợp vào chip đến ăng-ten đồng được in trực tiếp trên PCB.
Khi tạo một bố cục với một hoặc nhiều ăng-ten, điều quan trọng là phải đảm bảo rằng các khối mạch khác nhau của PCB được cách ly với nhau.
Khi thiết kế ăng-ten RF, các công cụ CAD nên được sử dụng, có thể giúp thiết kế các cấu trúc bị cô lập, cấu trúc chuyển tiếp và thậm chí cả ăng-ten in cho PCB.
Ngày nay, thật khó để tưởng tượng một sản phẩm điện tử tiêu dùng không bao gồm ăng-ten và thậm chí bộ mở cửa nhà để xe cũng có thể được kết nối với điện thoại di động thông qua Bluetooth hoặc WiFi. Mỗi khi một ăng-ten RF mới được thêm vào bố cục PCB, nó tạo ra những thách thức mới cho nhà thiết kế RF, đặc biệt là khi các thiết kế hiện tại một lần nữa tập trung vào các kỹ năng thiết kế tương tự. Với rất nhiều tính năng RF được thêm vào PCB mới, làm thế nào các nhà thiết kế có thể đảm bảo rằng tín hiệu trong hệ thống không bị hỏng và tính toàn vẹn tín hiệu được duy trì?
Một số lựa chọn thiết kế đơn giản có thể đảm bảo rằng các tín hiệu RF không bị suy yếu bởi các thành phần kỹ thuật số gần đó, nhưng cũng sẽ giúp ngăn chặn sự can thiệp giữa nhiều tín hiệu analog. Mặc dù có nhiều khía cạnh thiết kế RF cần xem xét khi thiết kế một hệ thống tín hiệu hỗn hợp hoặc RF đầy đủ, thiết kế và bố cục ăng-ten có lẽ là hai điều quan trọng nhất. Dưới đây chúng tôi tìm hiểu về thiết kế ăng-ten RF trong bố trí PCB và cách đảm bảo tính toàn vẹn tín hiệu analog.
Cơ bản về thiết kế ăng-ten RF
Khi thiết kế ăng-ten tùy chỉnh hoặc chọn ăng-ten COTS cho PCB RF, có một số điểm cơ bản cần làm theo. Tất cả các ăng-ten RF có một số đặc điểm đặc biệt cần được xem xét trong giai đoạn thiết kế. Mỗi ăng-ten cần phải có các thành phần sau.
- Bộ tản nhiệt dẫn điện nổi: bộ ăng-ten được sử dụng để phát ra bức xạ.
Mặt phẳng tham chiếu: mặt phẳng tham chiếu hoặc đơn vị của ăng-ten giúp xác định hướng của cấu trúc ăng-ten trong mỗi chế độ ăng-ten.
-Feedline: feedline được sử dụng để vận chuyển tín hiệu đầu vào từ phần tử RF đến bộ ăng-ten tỏa ra.
- Mạng kết hợp trở kháng: Ăng-ten thường có trở kháng khoảng 10 ohms và do đó cần phải được khớp với trở kháng đường dây cấp để ngăn chặn phản xạ và đảm bảo truyền tải năng lượng tối đa ở tần số và băng thông tàu sân bay mong muốn.
Nhiều thiết kế ăng-ten tiêu chuẩn đã được nghiên cứu kỹ lưỡng. Nhiều thiết kế tham khảo có thể được tìm thấy trên Internet, sau đó có thể được sao chép vào bố cục PCB của riêng bạn. Chúng ta cũng có thể tìm thấy nhiều công thức thiết kế cho cấu trúc ăng-ten tiêu chuẩn trong sách giáo khoa kỹ thuật vi sóng. Cuối cùng, nếu người ta muốn sử dụng ăng-ten RF COTS, có rất nhiều thiết kế rẻ tiền có sẵn trên thị trường. Bất kể bạn chọn sử dụng ăng-ten RF nào, nó cần được đặt cẩn thận trong bố cục để ngăn chặn sự can thiệp giữa các bộ phận khác nhau của bảng.
Mẹo bố trí ăng-ten RF
Sau khi thiết kế ăng-ten, bạn cần xác định vị trí trên PCB bạn nên đặt nó. Các nhà thiết kế RF có thể nhận được một số lời khuyên từ các nhà thiết kế tín hiệu hỗn hợp (hầu hết các bảng RF thực sự là bảng tín hiệu hỗn hợp) để ngăn chặn sự can thiệp giữa các phần mặt trước RF, back-end và kỹ thuật số.
- Bức xạ hiệu quả: được thiết kế để đảm bảo rằng bức xạ từ đơn vị ăng-ten rời khỏi bảng và không được thu thập bởi các cấu trúc khác trong bố cục PCB.
- Cô lập: Một lần nữa, chúng tôi không muốn nhiều phần của bố cục PCB can thiệp trực tiếp vào nhau.
Khả năng tương thích điện từ (EMC): Cuối cùng, cần đảm bảo rằng bố cục không nhận tín hiệu từ các thiết bị khác có thể phát ra tín hiệu trong một loạt các tần số.
Trong thiết kế thực tế của PCB, hầu hết các mục tiêu thiết kế đang cạnh tranh, nhưng có hai điểm chính cần làm theo sẽ giúp cân bằng các mục tiêu thiết kế này.
Giữ các khối mạch tách biệt với nhau trong bố cục PCB
Đây là một điểm thiết kế PCB tín hiệu hỗn hợp cơ bản, và nó cũng áp dụng cho việc bố trí ăng-ten RF. Phần ăng-ten cần được đặt trên bảng và tách ra khỏi các khối mạch khác. Nói chung, tốt nhất là đặt phần ăng-ten gần cạnh bo mạch và tránh xa các thành phần tương tự khác. Điều này giới hạn bức xạ mạnh ở một vị trí trên bảng và đảm bảo nhiễu tối thiểu giữa các phần.
Thách thức với lưới là đảm bảo rằng các đường dẫn trở lại của các phần khác nhau không can thiệp vào nhau, nếu không sẽ dẫn đến khớp nối tiếng ồn và nhiễu chéo. Sử dụng bộ giải trường tích hợp trong công cụ thiết kế PCB tiên tiến sẽ giúp phát hiện độ lệch trong đường dẫn trả về khi tạo bố cục. Đối với thiết kế tần số cao, sử dụng cấu trúc mặt đất liên tục để đảm bảo đường quay trở lại nhất quán.
Phần ăng-ten bị cô lập
Điện thoại di động hiện đại và các thiết bị mạng dữ liệu tốc độ cao sử dụng các cấu trúc cách ly sáng tạo đã trở thành tiêu chuẩn vàng cho công nghệ cách ly RF. Rất đơn giản, cô lập là vị trí của một số tấm chắn xung quanh các thành phần nhạy cảm RF trên bảng để ngăn chặn sự lan truyền của sóng giữa máy phát và máy thu. Bảng dưới đây mô tả một số cấu trúc có thể được sử dụng trong phần ăng ten RF để cô lập các thành phần, đường cấp dữ liệu và ăng-ten, hoặc để cô lập các nguồn tiếng ồn bên ngoài.
Các cấu trúc cách ly thường được đặt giữa các thành phần RF để ngăn chặn khớp nối tiếng ồn và trao đổi năng lượng giữa chúng. Xác định cấu trúc cách ly nào để sử dụng để đảm bảo tính toàn vẹn của tín hiệu ăng ten RF là một vấn đề thiết kế phức tạp đã được ngành công nghiệp nghiên cứu kỹ lưỡng. Nếu chúng ta không phải là chuyên gia về tích hợp elip, chúng ta cần dựa vào bộ giải quyết trường điện từ (EM) để xác định các cấu trúc này ảnh hưởng đến trở kháng của ăng ten feedline / RF như thế nào và mức độ cô lập mà các cấu trúc này cung cấp.
Nếu một bộ giải quyết trường EM được sử dụng, mô phỏng trường gần và xa trường có thể được sử dụng để xác định các khu vực của bố cục PCB nơi phát thải mạnh xảy ra. Một khi các khu vực này được xác định, cùng với tần số phát ra, nó sẽ giúp xác định loại chiến lược cách ly nào nên được sử dụng. Tốt nhất là sử dụng tên miền tần số trực tiếp (phương pháp FDFD) thay vì sử dụng chuyển đổi Fourier để chuyển đổi kết quả FDTD.
Thiết kế ăng ten RF và tạo bố cục đòi hỏi sự chú ý nhiều hơn đến từng chi tiết, vì vậy nó có ý nghĩa để chăm sóc thêm để đảm bảo sự cô lập và tính toàn vẹn tín hiệu của thiết kế RF.
