Antena PCB-Urządzenia bezprzewodowe stają się normą dla większości aplikacji, więc istnieje duże zapotrzebowanie na anteny PCB, aby umożliwić bezproblemową komunikację. Pomyśl o prostych urządzeniach, takich jak bezprzewodowe myszy do powstającej sieci 5G i IoT. Wymagają one komunikacji bezprzewodowej, a antena PCB będzie miała kluczowe znaczenie w ich rozwoju.
Jeśli pracujesz nad projektem obejmującym łączność bezprzewodową, oto bliskie spojrzenie na anteny PCB, w tym ich rodzaje i jak je zaprojektować. Zanurzmy się!
Antena PCB-Rodzaje anten
Poniżej przedstawiono trzy typy anten.
Antony cruciate
Antena drutowa jest zasadniczo przewodem, który rozciąga się nad płytką drukowaną w wolnej przestrzeni. Daje ona najlepszy zasięg i wydajność ze względu na jej ekspozycję 3D i wymiary.
Antena PCB
Znany również jako antena śladowa PCB, ten typ anteny PCB jest tak prosty jak ślad narysowany na płytce drukowanej.
W porównaniu z anteną drutową, typ anteny PCB jest 2D, ponieważ leży w tym samym miejscu co płytka drukowana.
Antena PCB-Antena Chippewa
Antena chipowa ma postać kompaktowego układu scalonego z upakowanym wewnątrz przewodnikiem. Kompaktowy rozmiar chipa nadal zapewnia zasięg bezprzewodowy akceptowalny dla projektów anten BLE.
Porównanie anten
Ponieważ IFA i MIFA są najbardziej powszechnymi antenami na PCB, porównamy je z anteną chipową i drutową.
Antena PCB-Parametry anteny
Poniżej znajdują się istotne parametry wydajnościowe dla anten.
Tłumienie odbicia
Tłumienie odbicia wskazuje jak dobrze antena dopasowuje się do linii transmisyjnej 50-Ω. Impedancja charakterystyczna linii transmisyjnej wynosi zazwyczaj 50 Ω. Ale może być inna. Jednak 50 Ω jest standardem przemysłowym dla urządzeń testujących i anten komercyjnych.
Antena PCB-Pasmo przenoszenia
Szerokość pasma definiuje odpowiedź częstotliwościową anteny. Wskazuje, jak dobrze antena dopasowuje się do linii transmisyjnej 50 Ω w całym interesującym nas paśmie, zwykle 2,40 GHz do 2,48 GHz dla aplikacji BLE.
Szersze pasmo jest lepsze, ponieważ zmniejsza efekty przestrajania pochodzące od zmian środowiskowych otaczających antenę.
Antena PCB-Efektywność promieniowania
Część mocy nieodbitej staje się stratą termiczną i jest rozpraszana jako ciepło. Ta strata występuje z powodu strat przewodnictwa w miedzianych ścieżkach i strat dielektrycznych w podłożu FR4. Rozpraszane ciepło określa sprawność promieniowania, przy czym 100% sprawności promieniowania oznacza, że cała nieodbita moc jest rozpraszana w wolnej przestrzeni.
Wzór promieniowania
Wzór promieniowania pokazuje, w których kierunkach promieniowanie jest większe, a w których mniejsze. Ta właściwość kierunkowa pomaga zorientować antenę optymalnie dla jej zastosowania.
Na przykład, izotropowe anteny dipolowe promieniują jednakowo ze wszystkich stron, co czyni je idealnymi dla aplikacji anten dookólnych. Jednak większość anten ma określony kierunek, w którym sygnał o częstotliwości RF jest silniejszy. Antena PCB działa podobnie i może pracować dobrze jako antena kierunkowa.
Antena PCB-Gain
W porównaniu z anteną izotropową, która promieniuje we wszystkich kierunkach równomiernie, zysk odnosi się do promieniowania po konkretnej stronie (kierunku zainteresowania). dBi wyraża parametr zysku, pokazując jak silne jest pole promieniowania w stosunku do idealnej anteny izotropowej.
Jak zaprojektować antenę PCB
Przed zaprojektowaniem anteny śladowej na PCB należy rozważyć następujące czynniki, aby projekt był bezbłędny.
Antena PCB-Uwagi dotyczące projektu
Wybierz najlepszy typ anteny
Istnieją różne konstrukcje anten, z których najczęstsze to meandrujące i typu F. Standardowy typ F ma najlepszy kompromis między wydajnością, rozmiarem i działaniem dookólnym. Z drugiej strony, ślady meandrujące są bardziej kompaktowe, ale mają gorszą wydajność.
Antena PCB-Weź pod uwagę konstrukcję płytki drukowanej
Długość miedzianej ścieżki PCB określa jej częstotliwość rezonansową, a im wyższa częstotliwość, tym krótsza ścieżka. Każda antena potrzebuje obszaru wokół śladu anteny bez wypełnienia masą lub śladów miedzi na jakiejkolwiek warstwie PCB (obszar keep-out). Ponadto, szerokie ślady dają szerokie pasmo przenoszenia, i mogą być pokryte za pomocą maski lutowniczej lub złota flashed. Wreszcie, wydajność sygnału elektrycznego anteny zależy od stałej dielektrycznej, grubości i materiału podłoża.
Antena PCB-Płaszczyzny uziemienia są krytyczne
Anteny PCB potrzebują płaszczyzny uziemienia, aby były efektywne. Rozmiar i kształt płaszczyzny uziemienia wpłynie na wydajność i impedancję anteny. Dlatego też, powinna ona posiadać przelotki wzdłuż krawędzi obszaru utrzymywania anteny.
Włączenie komponentów dopasowujących
Niedopasowane anteny mogą zmniejszyć wydajność zasięgu i budżet łącza RF. Dlatego należy umieścić siatkę pi-network w punkcie zasilania anteny, aby uniknąć strat związanych z niedopasowaniem.
Antena PCB-Dopasowanie impedancji
Oprócz komponentów, należy zapewnić dopasowanie impedancji anteny i źródła (50 Ω) dla maksymalnego transferu mocy RF. Należy starać się utrzymać stratę powrotną na poziomie mniejszym lub równym -10dB.
Rozważ środowisko otaczające antenę
Elementy metalowe, obudowy i inne elementy mogą wpływać na wzór promieniowania i strojenie. Dlatego upewnij się, że antena znajduje się z dala od metalowych przedmiotów, metalizowanego plastiku lub metalowych obudów.
Dostrój projekt do konkretnych zastosowań
Na koniec należy pamiętać, aby dostroić wymiary, dopasowanie, itp. do konkretnych zastosowań. Kopiowanie istniejących projektów nie jest wystarczająco dobre, ponieważ charakterystyka promieniowania i zysk zmieniają się wraz ze zmianą parametrów otoczenia.
Antena PCB-Obliczenia
Zanim przejdziemy do obliczeń, ustaw te parametry prosto. Wybierz częstotliwość pracy i podłoże, następnie oblicz długość i szerokość śladu i podłoża.
Zakładając, że materiałem podłoża jest FR4, ma on względną przenikalność 4,4.
Możemy obliczyć wysokość substratu za pomocą następującego wzoru.
Hs to wysokość podłoża
F jest częstotliwością (GHz)
C jest prędkością światła (m/s)
Σr to stała dielektryczna podłoża
Jeśli chodzi o szerokość śladu, możesz ją uzyskać za pomocą następującego wzoru:
Aby uzyskać długość śladu, należy użyć:
W tym równaniu Σff jest efektywną przenikalnością.
Z drugiej strony, ΔL jest fizyczną długością.
Oblicz długość podłoża korzystając z:
Dla szerokości należy użyć następującego wzoru:
Ostatnie obliczenia polegają na otrzymaniu stosunku szerokości mikropasków do ich głębokości. Oblicz tę wartość korzystając z następującego wzoru.
Tutaj, d jest szerokością śladu RF, w jest szerokością podłoża, a A jest efektywną powierzchnią.
Przy pomocy tych obliczeń zaprojektujemy płytkę RF o częstotliwości 2,45 GHz wykorzystującą układ ESP8255 system-on-chip (SOC).
Rozmieszczenie płytki i anteny
Istnieją dwie sekcje do rozważenia na płytce drukowanej. Są to sekcje anteny i oscylatora kryształowego, ale my skupimy się na sekcji anteny.
Kroki projektowe
Po umieszczeniu nagłówków i złączy, zamontuj złącze U.FL, przełącznik, antenę, przełącznik GPIO0 i mikrokontroler. Następnie zamocuj ślad anteny i pamiętaj, że impedancja śladu powinna wynosić 50Ω. Miedziany ślad działa jak linia transmisyjna wysokiej częstotliwości, a wartość impedancji zależy w dużej mierze od grubości płytki i materiału dielektrycznego.
Dlatego najpierw powinieneś to obliczyć, a następnie wykreślić ślad. Możesz użyć narzędzia kalkulatora impedancji, aby uprościć swoje obliczenia.
Następnie oblicz szerokość śladu. Przy szerokości śladu 70 milsów, grubości śladu 1,4 milsa, dielektryku (grubości płytki) 39,3701 i względnej stałej dielektrycznej 4,5, otrzymujemy 50 jako impedancję śladu.
Należy pamiętać, że wartość względnej stałej dielektrycznej jest różna w zależności od producenta. Jeśli chodzi o impedancję, to zazwyczaj zależy ona od grubości dielektryka i szerokości śladu.
Po wykonaniu powyższych obliczeń należy zaprojektować prowadzenie śladu i zabrać go do produkcji, programowania, a następnie testowania.
Rodzaje płytek drukowanych anteny
Płytka drukowana anteny Yagi
Antena kołowa PCB
Antena Quadcoptera PCB
Antena log period PCB
Antena Flex PCB
Antena MMIC PCB
Antena Patch Arrays PCB
Antena UWB (Ultra Wide Band) PCB
Antena niestandardowa PCB
Uchwyt na kartę SIM jako część komunikatora GSM z anteną
Podsumowanie
There you have it!!! Anteny PCB są niezbędne w nowoczesnych aplikacjach, a powyższy projekt powinien ułatwić zbudowanie jednej dla Twojego projektu. Pamiętaj, aby przestrzegać zasad projektowania i dostosować ostateczny projekt do konkretnego projektu. Jeśli masz jakieś pytania, komentarze lub sugestie, nie wahaj się skontaktować z nami.