Projeto de RF e PCB sem fio

Sep 13, 2023

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RF está se tornando quase onipresente; quantos dispositivos em sua casa contêm pelo menos uma antena? Os segmentos automotivo, aeroespacial, de defesa e IoT estão todos avançando para a comunicação sem fio. Mas projetar um PCB de RF é muito diferente de projetar placas típicas.

Recentemente, nos encontramos com o instrutor do IPC, Kris Moyer, para uma discussão sobre como projetar PCBs de RF e aplicativos sem fio em geral. Kris ensina projeto de RF, entre outras coisas, então pedimos a ele para discutir técnicas de projeto de RF, como projetar para aplicações sem fio difere do layout de PCBs tradicionais e quando projetar sua própria antena versus usar comercialmente disponível (COTS) antenas.

Andy Shaughnessy: Kris, conte-nos sobre o mercado de RF e PCB sem fio. Como ele se compara ao resto do mercado de PCBs?

Kris Moyer: Nunca é enorme, mas com o aumento de dispositivos inteligentes e dispositivos IoT, está definitivamente crescendo. Não é fácil de projetar. Pense no seu celular moderno ou no seu relógio inteligente moderno que possui GPS, uma antena Wi-Fi, uma antena de celular e uma antena Bluetooth.

Holden feliz:Agora há carregamento sem fio.

Moyer: Certo. Portanto, existem cinco frequências e módulos de RF diferentes funcionando simultaneamente em uma placa. Provavelmente há mais do que apenas cinco que não sabemos em termos do que os militares, a NASA e outras organizações como a SpaceX estão fazendo com centenas de pequenos satélites. A grande questão é: como fazer tudo isso funcionar junto e não interferir um no outro?

Shaughnessy:Nossos leitores têm muitas perguntas sobre antenas e design de antenas.

Moyer: Isso significa não apenas projetar o próprio design da antena, mas também os protocolos Bluetooth e Wi-Fi, a conformidade com a FCC e o design no nível do sistema para integrar todos esses diferentes métodos de comunicação. Você tem todos os tipos de protocolos IEEE diferentes envolvidos com isso e como eles podem interagir ou interferir entre si. Como você lida com conectores SMA, impedâncias controladas, cavidades de onda e assim por diante?

Na época do rádio, era literalmente apenas um amplificador, um transmissor e um receptor. O design da antena era crítico porque controlava sua frequência e assim por diante. É por isso que antigamente tínhamos antenas de TV, principalmente as antenas de TV antigas que eram em forma de triângulo. Eles usaram a forma de triângulo porque cada um desses comprimentos de antena captou uma frequência diferente. Hoje em dia, não é só o desenho da antena, mas sim qual chip você precisa usar. Na verdade, eles vendem não apenas antenas 3D, mas antenas pré-embaladas em pacotes de chips. Você pode comprar uma antena Bluetooth equivalente a, digamos, um 1206 ou um pacote de chip e apenas soldá-la na placa.

Shaughnessy:Parece que o caminho mais fácil seria usar uma antena pronta para uso, já que ela foi validada, suponho, e o trabalho preliminar foi feito.

Moyer: Há mais matemática envolvida em projetar sua própria antena, que é tecnicamente um "dispositivo de geometria de cobre". Se você está tentando projetar a antena a partir do próprio traço da placa, há muita matemática e análise de engenharia nisso. Especificamente, para que a antena funcione corretamente, você deve converter para o processo SAP ou mSAP para não obter geometrias não ideais que obtém do processo subtrativo padrão. Você deve ser muito mais cuidadoso com a largura e a folga, especialmente se estiver serpenteando sua antena em vez de fazer um longo traço reto, para economizar espaço na placa.

Com um padrão de serpentina, agora a largura da lacuna e o comprimento antes das curvas serão muito mais críticos do que apenas com a simples serpentina que eu faria para correspondência de comprimento. Há muito mais matemática envolvida se você estiver tentando projetar a antena real. Se, por outro lado, tudo o que você está fazendo é comprar peças e tentar conectá-las, você ainda está interessado nas técnicas de roteamento de placas de RF, mas sem a matemática complexa do design da antena.