Wbudowane projekty typu RF – anteny z mikroukładami ceramicznymi w porównaniu z antenami ścieżkowymi

Altium Designer

|  Created: February 16, 2018  |  Updated: October 1, 2020

W ciągu ostatnich lat nastąpił znaczny wzrost tzw. kultury kawiarnianej, co spowodowało, że nowo otwierające się kawiarnie usilnie poszukują sposobu na wyróżnienie się i zwiększenie zainteresowania klientów swoją ofertą. Hybrydy kawiarni i księgarni, ekskluzywne kawiarnie z baristami mającymi wiedzę na temat odległych regionalnych ziaren, a nawet kawiarnie z kotami – to tylko kilka rodzajów miejsc tego typu, które miałem już okazję widzieć.

Ludzie chodzą do kawiarni z kilku kluczowych powodów: aby napić się lub coś zjeść, by spotkać się i porozmawiać z przyjaciółmi lub w końcu aby popracować trochę poza swoim biurem czy domem. I choć ważne jest to, co odróżnia od siebie konkretne kawiarnie, tak ich podstawowy cel pozostaje niemal niezmienny. To sytuacja zbliżona do wyboru pomiędzy różnymi opcjami komponentów w projektach płytek PCB.

Zapotrzebowanie na kompaktowe, wydajne i niedrogie rozwiązania z zakresu wbudowanych urządzeń nadawczo-odbiorczych typu RF rośnie już od lat razem z rozwojem robotyki, sztucznej inteligencji i koncepcją Internetu rzeczy. Faktem jest, że koszt, układ płytki, wytyczne dotyczące standardu pamięci DDR3 i wiedza specjalistyczna dalej pozostają kluczowymi aspektami, które mają realny wpływ na preferencje dotyczące wykorzystania anten ceramicznych i ścieżkowych na układach płytek drukowanych.

Anteny na płytkach PCB, czyli jak poznać swój zakres częstotliwości

W przeszłości inżynierowie projektujący płytki PCB rozważali kompromisy w zakresie docelowego zakresu częstotliwości i wybierali najbardziej niezawodną w tym aspekcie antenę ścieżkową. Nowoczesne i wbudowane anteny są przeznaczone do pracy w paśmie umieszczonym gdzieś pomiędzy 400 MHz a 5,5 GHz. Biorąc jednak pod uwagę coraz bardziej niezawodne, tanie i proste w implementacji anteny ceramiczne, konkurencja na tej płaszczyźnie zaczyna być naprawdę spora.

Faktem jest, że koszt zwykłej ścieżki z drutu na płytce drukowanej umieszczonej w systemie CAD jeszcze przed jej produkcją jest praktycznie minimalny. Pomimo niskich kosztów anten ścieżkowych, wciąż istnieje jednak wiele przypadków, kiedy to preferowane są anteny z mikroukładem ceramicznym. Ich wyższy koszt można zrekompensować niewielkim rozmiarem, łatwością wdrożenia i wysoką tolerancją na wszelkie zakłócenia środowiskowe.

Anteny ścieżkowe na układach PCB

Anteny ścieżkowe na płytkach drukowanych są bardzo trudne do zaprojektowania, wdrożenia i finalnego dostrojenia, szczególnie przy mniejszych i bardziej niezawodnych projektach. Podobnie jak w przypadku anteny przewodowej, rozmiar anteny ścieżkowej zależy przede wszystkim od docelowej szerokości zakresu częstotliwości, z którego chcemy korzystać. Przy niższych częstotliwościach antena ścieżkowa będzie musiała być o wiele dłuższa, aby integralność sygnału mogła odpowiednio rezonować.

Oto najważniejsze zalety wyboru anteny ścieżkowej na płytce PCB kosztem anteny ceramicznej:

• Antena ścieżkowa zostaje wbudowana w płytkę PCB w trakcie procesu jej produkcji.

• Po prawidłowym dostrojeniu, antena ścieżkowa może działać w szerokim paśmie częstotliwości, zapewniając przy tym wysoki stopień niezawodności i siłę sygnału sieci.

• Anteny ścieżkowe mają stosunkowo wąski profil.

Wśród wad wykorzystania anten ścieżkowych na płytkach drukowanych można natomiast wyróżnić:

• Trudności w ich projektowaniu, szczególnie przy niższych częstotliwościach. Anteny ścieżkowe są bardzo podatne na zmiany w układzie płytki drukowanej, co na dobrą sprawę wymaga dodatkowego strojenia, a niekiedy nawet przebudowy po niemal każdej, nawet najmniejszej zmianie układu.

• Zajmują one więcej miejsca w porównaniu z anteną ceramiczną, szczególnie w przypadku niższych częstotliwości. Większa powierzchnia to natomiast wyższy koszt produkcji płytki PCB.

• Anteny ścieżkowe są również o wiele bardziej podatne na wszelkiego rodzaju zakłócenia środowiskowe.

Antena ścieżkowa na płytce drukowanej nie może być fizycznie modyfikowana po jej wyprodukowaniu. W przypadku pojawienia się potrzeby zmiany, inżynier musi zmodyfikować projekt i ponownie wyprodukować płytkę PCB. Potencjalnie duży rozmiar płytki PCB z anteną ścieżkową, czasochłonność tworzenia takiego projektu i jego dostrajania, wymagające użycia stosownego oprogramowania do symulowania PCB i wykonania wielu testów, to najważniejsze powody, które mogą być motywacją do ostatecznego wykorzystania płytki drukowanej z anteną ceramiczną.

 

^{Co prawda Twoja antena może wyglądać inaczej, ale jej rozmiar i zakres częstotliwości dalej pozostaną problemem.}

Anteny z mikroukładem ceramicznym

Anteny z mikroukładami ceramicznymi również wymagają strojenia z wykorzystaniem sieci, ale nie mają fizycznych właściwości anten ścieżkowych, których nie można modyfikować po wyprodukowaniu płytki. Eliminuje to na wstępie potrzebę wykorzystania oprogramowania do symulowania PCB i kosztownej produkcji nowych prototypów przy każdej, nawet najmniejszej zmianie, co powoduje marnowanie się dużej liczby komponentów.

Wśród najistotniejszych zalet anten z mikroukładem ceramicznym można wyróżnić:

• Ich niewielki rozmiar i prosty proces konfiguracji.

• Małą wrażliwość na zakłócenia wywołane hałasem z otoczenia, czy innymi sąsiadującymi komponentami.

• Fakt, że wszelkie zmiany dotyczące projektu płytki drukowanej lub układu DDR są o wiele łatwiejsze do wdrożenia i nie wymagają dodatkowych symulacji. Antenę ceramiczną można również o wiele łatwiej dostroić, a nawet w całości wymienić.

Anteny ceramiczne mają też jednak swoje wady:

• Ich wykorzystanie wymaga wyższego kosztu początkowego i dodatkowych komponentów pomocniczych. W chwili obecnej przeciętna antena z mikroukładem ceramicznym kosztuje od 50 groszy do nawet 6 złotych.

Antena ceramiczna to osobny komponent, który dodaje się do płytki PCB już po zakończeniu fazy jej projektowania. Cecha ta pozwala na zdecydowanie większą wszechstronność w zakresie produkcji układu. Co więcej, funkcja montażu powierzchniowego pozwala na łatwe pozbywanie się anten ceramicznych z płytki, jak również ich wymianę w celu szybkiego dostosowania układu do nowej specyfikacji.

Projektowanie układu z wykorzystaniem anteny ceramicznej pozwala inżynierowi uzyskać o wiele więcej dostępnej przestrzeni, co przydaje się przy uwzględnianiu w projekcie innych pożądanych komponentów. Przestrzeń tą można również wykorzystać w inny sposób – np. zmniejszając rozmiar samej płytki, co obniży koszty jej produkcji. To bardzo ważne przy projektach wielowarstwowych, w przypadku których inżynierowie przykładają szczególną uwagę do tego, by nie marnować dostępnej przestrzeni przez dodawanie osobnej anteny ścieżkowej do każdej warstwy płytki.

 

^{Upewnij się, że wykorzystujesz w swoim projekcie odpowiedni rodzaj anten, zarówno w aspekcie ich kosztu, jak i użyteczności.} 

Bardzo trudno jest zaprojektować antenę o możliwie najmniejszym rozmiarze przy jednoczesnym krótkim czasie jej strojenia, maksymalnej sile sygnału i dodatkowo z dużą ilością wolnej przestrzeni na pozostałe komponenty. Niezależnie od tego, na który wariant ostatecznie się zdecydujemy, warto jest dokładnie przetestować ostateczny prototyp, co pozwoli dokonać wszelkich pomiarów, a także zbadać projekt pod kątem jego trwałości.

Jeśli strojenie anteny jest koniecznie, z pomocą przychodzi specjalistyczne oprogramowanie do PCB, dzięki któremu można robić to szybciej i łatwiej. Jeśli szukasz oprogramowania z najlepszymi funkcjami, takimi jak automatyczne trasowanie, dystrybucja mocy sieci, czy możliwość płynnej zmiany widoku z 2D na 3D, to Altium Designer^® jest jednolitym środowiskiem projektowym stworzonym właśnie dla Ciebie.

Jeśli chciałbyś porozmawiać o tym, jaki rodzaj anteny jest najlepszym wyborem dla Twojego układu płytki drukowanej lub  dowiedzieć się więcej o aspektach projektowania PCB związanych z zakresem częstotliwości, skontaktuj się już teraz z ekspertem z Altium, który szczegółowo odpowie na wszystkie Twoje pytania.