Conception de circuits imprimés RF et sans fil

Sep 13, 2023

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La RF devient presque omniprésente ; combien d'appareils dans votre maison contiennent au moins une antenne ? Les segments de l'automobile, de l'aérospatiale, de la défense et de l'IdO repoussent tous les limites de la communication sans fil. Mais la conception d'un PCB RF est très différente de la conception de cartes typiques.

Nous avons récemment rencontré l'instructeur IPC Kris Moyer pour une discussion sur la conception de circuits imprimés RF et d'applications sans fil en général. Kris enseigne la conception RF, entre autres, nous lui avons donc demandé de discuter des techniques de conception RF, en quoi la conception pour les applications sans fil diffère de la disposition des PCB traditionnels, et quand concevoir votre propre antenne par rapport à l'utilisation commerciale standard (COTS) antennes.

Andy Shaughnessy : Kris, parlez-nous du marché des circuits imprimés RF et sans fil. Comment se compare-t-il au reste du marché des PCB ?

Kris Moyer : Ce n'est jamais énorme, mais avec l'augmentation des appareils intelligents et des appareils IoT, c'est définitivement en croissance. Ce n'est pas facile à concevoir. Pensez à votre téléphone portable moderne ou à votre montre intelligente moderne dotée d'un GPS, d'une antenne Wi-Fi, d'une antenne cellulaire et d'une antenne Bluetooth.

Heureux Holden :Maintenant, il y a la recharge sans fil.

Moyer : Droite. Ainsi, il y a cinq fréquences RF différentes et des modules fonctionnant simultanément sur une seule carte. Il y en a probablement plus de cinq dont nous ignorons ce que font l'armée, la NASA et d'autres organisations comme SpaceX avec des centaines de petits satellites. La grande question est : comment faire en sorte que tout cela fonctionne ensemble et n'interfère pas les uns avec les autres ?

Shaughnessy :Nos lecteurs ont beaucoup de questions sur les antennes et la conception des antennes.

Moyer : Cela signifie non seulement concevoir la conception de l'antenne elle-même, mais également les protocoles Bluetooth et Wi-Fi, la conformité FCC et la conception au niveau du système pour intégrer toutes ces différentes méthodes de communication. Vous avez toutes sortes de protocoles IEEE différents impliqués dans cela, et comment ils peuvent interagir ou interférer les uns avec les autres. Comment gérez-vous les connecteurs SMA, les impédances contrôlées, les cavités d'ondes, etc. ?

À l'époque de la radio, c'était littéralement juste un amplificateur, un émetteur et un récepteur. La conception de l'antenne était essentielle car elle contrôlait votre fréquence, etc. C'est pourquoi nous avions des antennes de télévision à l'époque, en particulier les anciennes antennes de télévision en forme de triangle. Ils ont utilisé la forme triangulaire parce que chacune de ces longueurs d'antenne captait une fréquence différente. De nos jours, ce n'est pas seulement la conception de l'antenne, mais c'est aussi la puce que vous devez utiliser. En fait, ils vendent non seulement des antennes 3D, mais aussi des antennes pré-emballées dans des boîtiers de puces. Vous pouvez acheter une antenne Bluetooth dans l'équivalent, disons, d'un 1206 ou d'un paquet de puces, et simplement la souder sur la carte.

Shaughnessy :Il semble que la solution la plus simple serait d'utiliser une antenne standard, car elle a été validée, je suppose, et que des travaux préliminaires ont été effectués.

Moyer : Il y a plus de mathématiques impliquées dans la conception de votre propre antenne, qui est techniquement un "dispositif de géométrie en cuivre". Si vous essayez de concevoir l'antenne à partir de la trace de la carte elle-même, il y a beaucoup de mathématiques et d'analyses d'ingénierie qui y sont liées. Plus précisément, pour que l'antenne fonctionne correctement, vous devez convertir le processus SAP ou mSAP afin de ne pas obtenir les géométries non idéales que vous obtenez du processus soustractif standard. Vous devez être beaucoup plus diligent sur la largeur et le dégagement, surtout si vous serpentez votre antenne plutôt que de faire une longue trace droite, pour économiser de l'espace sur la carte.

Avec un motif en serpentin, maintenant la largeur de l'écart et la longueur avant les virages seront beaucoup plus critiques qu'avec le simple serpentin que je ferais pour la correspondance des longueurs. Il y a beaucoup plus de mathématiques impliquées si vous essayez de concevoir l'antenne réelle. Si, d'un autre côté, tout ce que vous faites est d'acheter des pièces et d'essayer de les connecter, vous êtes toujours dans les techniques de routage de cartes RF, mais sans les mathématiques complexes de la conception d'antennes.

Pour lire l'intégralité de cette interview, parue dans le numéro d'avril 2023 du magazine Design007, cliquez ici.