Progettazione PCB RF e wireless

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La radiofrequenza sta diventando quasi onnipresente; quanti dispositivi nella tua casa contengono almeno un'antenna? I segmenti automobilistico, aerospaziale, della difesa e dell’IoT stanno tutti spingendo oltre i limiti per la comunicazione wireless. Ma progettare un PCB RF è molto diverso dalla progettazione di schede tipiche.

Recentemente abbiamo incontrato l'istruttore IPC Kris Moyer per una discussione sulla progettazione di PCB RF e delle applicazioni wireless in generale. Kris insegna progettazione RF, tra le altre cose, quindi gli abbiamo chiesto di discutere le tecniche di progettazione RF, in che modo la progettazione per applicazioni wireless differisce dalla disposizione dei PCB tradizionali e quando progettare la propria antenna rispetto all'utilizzo di prodotti commerciali standard (COTS) antenne.

Andy Shaughnessy: Kris, parlaci del mercato RF e PCB wireless. Come si confronta con il resto del mercato dei PCB?

Kris Moyer: Non è mai un fenomeno enorme, ma con l’aumento dei dispositivi intelligenti e dei dispositivi IoT è decisamente in crescita. Non è facile progettare. Pensa al tuo cellulare moderno o al tuo moderno orologio intelligente dotato di GPS, un'antenna Wi-Fi, un'antenna cellulare e un'antenna Bluetooth.

Felice Holden:Ora c'è la ricarica wireless.

Moyer: Giusto. Quindi, ci sono cinque diverse frequenze e moduli RF che funzionano simultaneamente su una scheda. Probabilmente ce ne sono più di cinque di cui non siamo a conoscenza in termini di ciò che l'esercito, la NASA e altre organizzazioni come SpaceX stanno facendo con centinaia di piccoli satelliti. La grande domanda è: come si fa a far sì che tutto questo lavori insieme e non interferisca tra loro?

Shaughnessy:I nostri lettori hanno molte domande sulle antenne e sulla progettazione delle antenne.

Moyer: Ciò significa non solo progettare il design dell’antenna stessa, ma anche i protocolli Bluetooth e Wi-Fi, la conformità FCC e la progettazione a livello di sistema per integrare tutti questi diversi metodi di comunicazione. Ci sono tutti i tipi di protocolli IEEE diversi coinvolti in questo e come possono interagire o interferire tra loro. Come gestite i connettori SMA, le impedenze controllate, le cavità d'onda e così via?

Ai tempi della radio, era letteralmente solo un amplificatore, un trasmettitore e un ricevitore. Il design dell'antenna era fondamentale perché controllava la frequenza e così via. Ecco perché un tempo avevamo le antenne TV, in particolare le vecchie antenne TV a forma di triangolo. Hanno usato la forma triangolare perché ciascuno di quei tratti di antenna captava una frequenza diversa. Al giorno d'oggi, non conta solo il design dell'antenna, ma anche il chip che devi utilizzare. In realtà vendono non solo antenne 3D, ma antenne preconfezionate in pacchetti di chip. Puoi acquistare un'antenna Bluetooth equivalente, ad esempio, a un 1206 o un pacchetto di chip e saldarla semplicemente sulla scheda.

Shaughnessy:Sembra che il modo più semplice per procedere sarebbe quello di utilizzare un'antenna standard, poiché è stata convalidata, presumo, e il lavoro preliminare è stato svolto.

Moyer: C'è più matematica coinvolta nella progettazione della propria antenna, che tecnicamente è un "dispositivo con geometria in rame". Se stai cercando di progettare l'antenna partendo dalla traccia della scheda stessa, ci sono molti calcoli e analisi ingegneristiche che vanno coinvolti in questo. Nello specifico, per far funzionare correttamente l'antenna, è necessario passare al processo SAP o mSAP in modo da non ottenere geometrie non ideali che si ottengono dal processo sottrattivo standard. Devi essere molto più diligente riguardo alla larghezza e allo spazio libero, soprattutto se stai serpeggiando con l'antenna invece di tracciare una lunga traccia diritta, per risparmiare spazio sulla scheda.

Con uno schema a serpentina, ora la larghezza dello spazio vuoto e la lunghezza prima delle curve saranno molto più critiche di quanto non lo siano con la semplice serpentina che farei per la corrispondenza della lunghezza. C'è molta più matematica coinvolta se stai cercando di progettare l'antenna vera e propria. Se, d'altra parte, tutto ciò che stai facendo è acquistare parti e provare a collegarle, sei ancora interessato alle tecniche di instradamento della scheda RF, ma senza la complessa matematica della progettazione dell'antenna.