HF- und drahtloses PCB-Design

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RF ist nahezu allgegenwärtig; Wie viele Geräte in Ihrem Zuhause enthalten mindestens eine Antenne? Die Automobil-, Luft- und Raumfahrt-, Verteidigungs- und IoT-Segmente treiben allesamt neue Maßstäbe bei der drahtlosen Kommunikation. Aber der Entwurf einer HF-Leiterplatte unterscheidet sich stark vom Entwurf typischer Platinen.

Wir haben uns kürzlich mit dem IPC-Lehrer Kris Moyer getroffen, um über das Design von HF-Leiterplatten und drahtlosen Anwendungen im Allgemeinen zu diskutieren. Kris unterrichtet unter anderem HF-Design. Deshalb haben wir ihn gebeten, über HF-Designtechniken zu sprechen, darüber, wie sich das Design für drahtlose Anwendungen vom Layout herkömmlicher Leiterplatten unterscheidet und wann man eine eigene Antenne im Vergleich zu handelsüblichen (COTS) entwerfen sollte. Antennen.

Andy Shaughnessy: Kris, erzählen Sie uns etwas über den Markt für HF- und drahtlose Leiterplatten. Wie schneidet es im Vergleich zum Rest des PCB-Marktes ab?

Kris Moyer: Es ist nie riesig, aber mit der Zunahme intelligenter Geräte und IoT-Geräte wächst es definitiv. Es ist nicht einfach zu entwerfen. Denken Sie an Ihr modernes Mobiltelefon oder Ihre moderne Smartwatch, die über GPS, eine WLAN-Antenne, eine Mobilfunkantenne und eine Bluetooth-Antenne verfügt.

Glücklicher Holden:Jetzt gibt es kabelloses Laden.

Moyer: Rechts. Es laufen also fünf verschiedene HF-Frequenzen und Module gleichzeitig auf einer Platine. Es gibt wahrscheinlich mehr als nur fünf, von denen wir nicht wissen, was das Militär, die NASA und andere Organisationen wie SpaceX mit Hunderten kleiner Satelliten machen. Die große Frage ist: Wie bringt man das alles zusammen, ohne sich gegenseitig zu stören?

Shaughnessy:Unsere Leser haben viele Fragen zu Antennen und Antennendesign.

Moyer: Dies bedeutet nicht nur die Gestaltung des Antennendesigns selbst, sondern auch die Bluetooth- und Wi-Fi-Protokolle, die FCC-Konformität und das Design auf Systemebene, um all diese verschiedenen Kommunikationsmethoden zu integrieren. Daran sind alle möglichen IEEE-Protokolle beteiligt und wie sie interagieren oder sich gegenseitig stören können. Wie gehen Sie mit SMA-Steckern, kontrollierten Impedanzen, Wellenhohlräumen usw. um?

Zu Zeiten des Radios bestand es buchstäblich nur aus einem Verstärker, einem Sender und einem Empfänger. Das Design der Antenne war von entscheidender Bedeutung, da sie Ihre Frequenz usw. steuerte. Aus diesem Grund gab es früher Fernsehantennen, insbesondere die alten Fernsehantennen in Dreiecksform. Sie verwendeten die Dreiecksform, weil jede dieser Antennenlängen eine andere Frequenz auffing. Heutzutage kommt es nicht nur auf das Design der Antenne an, sondern auch darauf, welchen Chip Sie verwenden müssen. Tatsächlich verkaufen sie nicht nur 3D-Antennen, sondern vorgefertigte Antennen in Chipgehäusen. Sie können eine Bluetooth-Antenne beispielsweise im Äquivalent eines 1206- oder Chip-Gehäuses kaufen und sie einfach auf die Platine löten.

Shaughnessy:Der einfachste Weg scheint die Verwendung einer handelsüblichen Antenne zu sein, da diese, wie ich annehme, validiert ist und Vorarbeiten durchgeführt wurden.

Moyer: Beim Entwurf einer eigenen Antenne, die technisch gesehen ein „Gerät mit Kupfergeometrie“ ist, ist mehr Mathematik erforderlich. Wenn Sie versuchen, die Antenne aus der Platinenleiterbahn selbst heraus zu entwerfen, ist eine Menge technischer Mathematik und Analyse erforderlich. Damit die Antenne richtig funktioniert, müssen Sie insbesondere auf den SAP- oder mSAP-Prozess umstellen, damit Sie keine nicht idealen Geometrien erhalten, die Sie beim standardmäßigen subtraktiven Prozess erhalten. Um Platz auf der Platine zu sparen, müssen Sie viel sorgfältiger auf die Breite und den Abstand achten, insbesondere wenn Sie Ihre Antenne schlangenförmig anordnen, anstatt eine lange, gerade Leitung zu erstellen.

Bei einem Serpentinenmuster sind jetzt die Spaltbreite und die Länge vor den Windungen viel kritischer als bei der einfachen Serpentinenführung, die ich zur Längenanpassung durchführen würde. Wenn Sie versuchen, die eigentliche Antenne zu entwerfen, ist viel mehr Mathematik erforderlich. Wenn Sie hingegen lediglich Teile kaufen und versuchen, sie anzuschließen, beschäftigen Sie sich immer noch mit HF-Leiterplatten-Routing-Techniken, jedoch ohne die komplexe Mathematik des Antennendesigns.

Um das gesamte Interview zu lesen, das in der April-Ausgabe 2023 des Design007 Magazine erschien, klicken Sie hier.