Bu makalenin önemli noktaları.
-RF antenleri, çipe entegre edilmiş düz antenlerden doğrudan PCB üzerine basılmış bakır antenlere kadar birçok biçimde gelir.
-Bir veya daha fazla anten ile bir yerleşim oluştururken, PCB'nin farklı devre bloklarının birbirinden izole edilmesini sağlamak önemlidir.
-Bir RF anteni tasarlarken, yalıtılmış yapıların, geçiş yapılarının ve hatta PCB için basılı antenlerin tasarlanmasına yardımcı olabilecek CAD araçları kullanılmalıdır.
Bugün, anten içermeyen bir tüketici elektroniği ürünü hayal etmek zor ve hatta garaj kapısı açıcıları bile Bluetooth veya WiFi üzerinden bir cep telefonuna bağlanabiliyor. Bir PCB düzenine her yeni bir RF anteni eklendiğinde, özellikle mevcut tasarımlar yine analog tasarım becerilerine odaklandığından, RF tasarımcısı için yeni zorluklar yaratır. Yeni PCB'lere bu kadar çok RF özelliği eklenirken, tasarımcılar sistemdeki sinyalin bozulmamasını ve sinyal bütünlüğünün korunmasını nasıl sağlayabilir?
Bazı basit tasarım seçenekleri, RF sinyallerinin yakındaki dijital bileşenler tarafından zayıflatılmamasını sağlayabilir, ancak aynı zamanda çoklu analog sinyaller arasındaki paraziti önlemeye de yardımcı olur. Karışık sinyal veya tam RF sistemi tasarlarken dikkate alınması gereken birçok RF tasarım yönü olsa da, anten tasarımı ve yerleşimi muhtemelen en önemli ikisidir. Aşağıda PCB düzeninde RF anten tasarımı ve analog sinyal bütünlüğünün nasıl sağlanacağını öğreniyoruz.
RF Anten Tasarım Temelleri
Özel bir anten tasarlarken veya bir RF PCB için bir COTS anteni seçerken, izlenmesi gereken birkaç temel nokta vardır. Tüm RF antenleri, tasarım aşamasında dikkate alınması gereken bazı özel özelliklere sahiptir. Her antenin aşağıdaki bileşenlere sahip olması gerekir.
-Yüzer iletken radyatör: Radyasyon yaymak için kullanılan anten birimi.
-Referans düzlemi: antenin referans düzlemi veya birimi, her bir anten modunda anten yapısının yönünü belirlemeye yardımcı olur.
-Besleme hattı: besleme hattı, giriş sinyalini RF elemanından yayılan anten ünitesine taşımak için kullanılır.
-Empedans eşleştirme ağı: Anten tipik olarak yaklaşık 10 ohm'luk bir empedansa sahiptir ve bu nedenle yansımaları önlemek ve istenen taşıyıcı frekansı ve bant genişliğinde maksimum güç aktarımını sağlamak için besleme hattı empedansıyla eşleşmesi gerekir.
Birçok standart anten tasarımı iyi çalışılmıştır. İnternette birçok referans tasarım bulunabilir ve bunlar daha sonra kendi PCB düzeninize kopyalanabilir. Ayrıca mikrodalga mühendisliği ders kitaplarında standart anten yapıları için birçok tasarım formülü bulabiliriz. Son olarak, eğer biri bir COTS RF anteni kullanmak isterse, piyasada pek çok ucuz tasarım mevcuttur. Hangi RF antenini kullanmayı seçerseniz seçin, kartın çeşitli parçaları arasında paraziti önlemek için yerleşime dikkatlice yerleştirilmesi gerekir.
RF anten düzeni ipuçları
Anteni tasarladıktan sonra PCB üzerinde nereye yerleştirmeniz gerektiğini belirlemelisiniz. RF tasarımcıları, RF ön uç, arka uç ve dijital bölümler arasındaki paraziti önlemek için karışık sinyal tasarımcılarından (çoğu RF kartı aslında karışık sinyal kartıdır) bazı ipuçları alabilir.
-Verimli radyasyon: Anten ünitesinden gelen radyasyonun karttan ayrılmasını ve PCB düzenindeki diğer yapılar tarafından alınmamasını sağlamak için tasarlanmıştır.
-İzolasyon: Yine, PCB yerleşiminin birden fazla parçasının doğrudan birbiriyle karışmasını istemiyoruz.
-Elektromanyetik Uyumluluk (EMC): Son olarak, düzenin geniş bir frekans aralığında sinyal yayan diğer cihazlardan sinyal almamasını sağlamak gerekir.
Bir PCB'nin gerçek tasarımında, tasarım hedeflerinin çoğu rekabet halindedir, ancak bu tasarım hedeflerini dengelemeye yardımcı olacak izlenecek iki önemli nokta vardır.
PCB düzeninde devre bloklarını birbirinden ayrı tutun
Bu, temel bir karışık sinyalli PCB tasarım noktasıdır ve aynı zamanda RF anteninin düzeni için de geçerlidir. Anten bölümünün kart üzerine yerleştirilmesi ve diğer devre bloklarından ayrılması gerekmektedir. Genel olarak, anten bölümünü kartın kenarına yakın ve diğer analog bileşenlerden uzağa yerleştirmek en iyisidir. Bu, güçlü radyasyonu panodaki bir konuma sınırlar ve bölümler arasında minimum parazit olmasını sağlar.
Ağ oluşturma ile ilgili zorluk, farklı bölümlerin dönüş yollarının birbiriyle karışmamasını sağlamaktır, aksi takdirde gürültü eşleşmesine ve karışmaya yol açacaktır. Gelişmiş PCB tasarım aracına entegre edilmiş alan çözücünün kullanılması, düzen oluşturulurken dönüş yolundaki sapmaların tespit edilmesine yardımcı olacaktır. Yüksek frekanslı tasarımlar için, tutarlı bir dönüş yolu sağlamak için sürekli bir zemin düzlemi yapısı kullanın.
İzole anten bölümleri
Modern cep telefonları ve yüksek hızlı veri ağı cihazları, RF izolasyon teknolojisi için altın standart haline gelen yaratıcı izolasyon yapıları kullanır. Basitçe, izolasyon, verici ve alıcı arasındaki dalgaların yayılmasını durdurmak için kart üzerindeki RF'ye duyarlı bileşenlerin etrafına bazı koruyucuların yerleştirilmesidir. Aşağıdaki tablo, bileşenleri, besleme hatlarını ve antenleri izole etmek veya harici gürültü kaynaklarını izole etmek için RF anten bölümünde kullanılabilecek yapılardan bazılarını açıklamaktadır.
İzolasyon yapıları, gürültü eşleşmesini ve aralarındaki güç alışverişini önlemek için tipik olarak RF bileşenleri arasına yerleştirilir. RF anten sinyalinin bütünlüğünü sağlamak için hangi izolasyon yapısının kullanılacağının belirlenmesi, endüstri tarafından kapsamlı bir şekilde incelenen karmaşık bir tasarım problemidir. Eliptik entegrasyon konusunda uzman değilsek, bu yapıların besleme hattı/RF anteninin empedansını nasıl etkilediğini ve bu yapıların sağladığı izolasyon seviyesini belirlemek için elektromanyetik (EM) alan çözücülere güvenmemiz gerekir.
Bir EM alan çözücü kullanılıyorsa, PCB yerleşiminde güçlü emisyonların meydana geldiği alanları belirlemek için yakın alan ve uzak alan simülasyonları kullanılabilir. Bu alanlar, yayılan frekanslarla birlikte tanımlandıktan sonra, hangi tür izolasyon stratejisinin kullanılması gerektiğini belirlemeye yardımcı olacaktır. FDTD sonuçlarını dönüştürmek için Fourier dönüşümünü kullanmak yerine doğrudan frekans alanını (FDFD yöntemi) kullanmak en iyisidir.
RF anten tasarımı ve yerleşimi oluşturma, ayrıntılara ekstra dikkat gerektirir, bu nedenle RF tasarımının izolasyonunu ve sinyal bütünlüğünü sağlamak için ekstra özen göstermek mantıklıdır.
