ประเด็นสำคัญของบทความนี้
-เสาอากาศ RF มีหลายรูปแบบ ตั้งแต่เสาอากาศแบบแบนที่รวมอยู่ในชิปไปจนถึงเสาอากาศทองแดงที่พิมพ์โดยตรงบน PCB
-เมื่อสร้างเลย์เอาต์ที่มีเสาอากาศตั้งแต่หนึ่งเสาอากาศขึ้นไป สิ่งสำคัญคือต้องตรวจสอบให้แน่ใจว่าบล็อกวงจรต่างๆ ของ PCB แยกออกจากกัน
- เมื่อออกแบบเสาอากาศ RF ควรใช้เครื่องมือ CAD ซึ่งสามารถช่วยออกแบบโครงสร้างแบบแยก โครงสร้างการเปลี่ยนแปลง และแม้แต่เสาอากาศแบบพิมพ์สำหรับ PCB
ทุกวันนี้ เป็นเรื่องยากที่จะจินตนาการถึงผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภคที่ไม่มีเสาอากาศ และแม้แต่ที่เปิดประตูโรงรถก็สามารถเชื่อมต่อกับโทรศัพท์มือถือผ่านบลูทูธหรือ WiFi ได้ ทุกครั้งที่มีการเพิ่มเสาอากาศ RF ใหม่ลงในเลย์เอาต์ PCB จะสร้างความท้าทายใหม่ ๆ สำหรับนักออกแบบ RF โดยเฉพาะอย่างยิ่งเนื่องจากการออกแบบในปัจจุบันมุ่งเน้นไปที่ทักษะการออกแบบแอนะล็อกอีกครั้ง ด้วยคุณสมบัติ RF จำนวนมากที่เพิ่มเข้ามาใน PCB ใหม่ นักออกแบบจะมั่นใจได้อย่างไรว่าสัญญาณในระบบจะไม่เสียหายและคงความสมบูรณ์ของสัญญาณไว้
ตัวเลือกการออกแบบที่เรียบง่ายบางอย่างช่วยให้มั่นใจได้ว่าสัญญาณ RF จะไม่ลดลงโดยส่วนประกอบดิจิทัลที่อยู่ใกล้เคียง แต่จะช่วยป้องกันสัญญาณรบกวนระหว่างสัญญาณแอนะล็อกหลายตัว แม้ว่าการออกแบบ RF มีหลายแง่มุมที่ต้องพิจารณาเมื่อออกแบบระบบ RF แบบสัญญาณผสมหรือแบบเต็ม แต่การออกแบบและเลย์เอาต์ของเสาอากาศอาจเป็นสองสิ่งที่สำคัญที่สุด ด้านล่าง เราจะเรียนรู้เกี่ยวกับการออกแบบเสาอากาศ RF ในรูปแบบ PCB และวิธีตรวจสอบความสมบูรณ์ของสัญญาณอะนาล็อก
พื้นฐานการออกแบบเสาอากาศ RF
เมื่อออกแบบเสาอากาศแบบกำหนดเองหรือเลือกเสาอากาศ COTS สำหรับ RF PCB มีประเด็นพื้นฐานหลายประการที่ต้องปฏิบัติตาม เสาอากาศ RF ทั้งหมดมีลักษณะพิเศษบางอย่างที่ควรพิจารณาในระหว่างขั้นตอนการออกแบบ เสาอากาศแต่ละตัวต้องมีส่วนประกอบดังต่อไปนี้
-หม้อน้ำนำไฟฟ้าแบบลอยตัว: ชุดเสาอากาศที่ใช้ปล่อยรังสี
-ระนาบอ้างอิง: ระนาบอ้างอิงหรือหน่วยของเสาอากาศช่วยในการกำหนดทิศทางของโครงสร้างเสาอากาศในโหมดเสาอากาศแต่ละโหมด
-สายป้อน: feedline ใช้เพื่อขนส่งสัญญาณอินพุตจากองค์ประกอบ RF ไปยังหน่วยเสาอากาศที่แผ่รังสี
- เครือข่ายการจับคู่อิมพีแดนซ์: โดยทั่วไป เสาอากาศจะมีอิมพีแดนซ์ประมาณ 10 โอห์ม ดังนั้นจึงจำเป็นต้องจับคู่กับอิมพีแดนซ์ของฟีดไลน์เพื่อป้องกันการสะท้อนและเพื่อให้แน่ใจว่ามีการถ่ายโอนพลังงานสูงสุดที่ความถี่พาหะและแบนด์วิดท์ที่ต้องการ
การออกแบบเสาอากาศมาตรฐานจำนวนมากได้รับการศึกษามาเป็นอย่างดี การออกแบบอ้างอิงจำนวนมากสามารถพบได้บนอินเทอร์เน็ต ซึ่งสามารถคัดลอกไปยังเค้าโครง PCB ของคุณเองได้ เรายังพบสูตรการออกแบบมากมายสำหรับโครงสร้างเสาอากาศมาตรฐานในหนังสือเรียนวิศวกรรมไมโครเวฟ สุดท้ายนี้ หากต้องการใช้เสาอากาศ RF ของ COTS มีการออกแบบราคาไม่แพงมากมายในท้องตลาด ไม่ว่าคุณจะเลือกใช้เสาอากาศ RF แบบใด คุณต้องวางเสาอากาศไว้ในเลย์เอาต์อย่างระมัดระวังเพื่อป้องกันการรบกวนระหว่างส่วนต่างๆ ของบอร์ด
เคล็ดลับการจัดวางเสาอากาศ RF
หลังจากออกแบบเสาอากาศแล้ว คุณต้องกำหนดตำแหน่งบน PCB ที่คุณควรวาง นักออกแบบ RF สามารถขอคำแนะนำจากนักออกแบบสัญญาณผสม (บอร์ด RF ส่วนใหญ่เป็นแผงสัญญาณผสม) เพื่อป้องกันการรบกวนระหว่างส่วนหน้า RF แบ็คเอนด์และดิจิตอล
-การแผ่รังสีที่มีประสิทธิภาพ: ออกแบบมาเพื่อให้แน่ใจว่าการแผ่รังสีจากยูนิตเสาอากาศออกจากบอร์ดและไม่ถูกดึงออกมาโดยโครงสร้างอื่นๆ ในเลย์เอาต์ PCB
-การแยก: อีกครั้ง เราไม่ต้องการให้เลย์เอาต์ PCB หลายส่วนรบกวนซึ่งกันและกันโดยตรง
-ความเข้ากันได้ทางแม่เหล็กไฟฟ้า (EMC): สุดท้าย จำเป็นต้องตรวจสอบให้แน่ใจว่าเลย์เอาต์ไม่รับสัญญาณจากอุปกรณ์อื่นที่อาจส่งสัญญาณในช่วงความถี่กว้าง
ในการออกแบบ PCB จริงๆ เป้าหมายการออกแบบส่วนใหญ่จะแข่งขันกัน แต่มีประเด็นสำคัญสองประการที่ต้องปฏิบัติตามซึ่งจะช่วยให้เป้าหมายการออกแบบเหล่านี้สมดุล
เก็บแผงวงจรแยกจากกันในรูปแบบ PCB
นี่เป็นจุดออกแบบ PCB แบบผสมสัญญาณพื้นฐาน และยังใช้กับเลย์เอาต์ของเสาอากาศ RF ด้วย ต้องวางส่วนของเสาอากาศไว้บนบอร์ดและแยกออกจากแผงวงจรอื่นๆ โดยทั่วไป เป็นการดีที่สุดที่จะวางส่วนเสาอากาศไว้ใกล้กับขอบของบอร์ด และอยู่ห่างจากส่วนประกอบแอนะล็อกอื่นๆ ซึ่งจะจำกัดการแผ่รังสีที่รุนแรงให้อยู่ที่ตำแหน่งเดียวบนกระดาน และรับประกันการรบกวนระหว่างส่วนต่างๆ น้อยที่สุด
ความท้าทายของการผสมผสานคือการทำให้แน่ใจว่าเส้นทางกลับของส่วนต่างๆ จะไม่รบกวนซึ่งกันและกัน มิฉะนั้นจะนำไปสู่การมีเพศสัมพันธ์และสัญญาณรบกวน การใช้ตัวแก้ไขภาคสนามที่รวมอยู่ในเครื่องมือออกแบบ PCB ขั้นสูงจะช่วยตรวจจับการเบี่ยงเบนในเส้นทางกลับเมื่อสร้างเค้าโครง สำหรับการออกแบบที่มีความถี่สูง ให้ใช้โครงสร้างระนาบพื้นอย่างต่อเนื่องเพื่อให้แน่ใจว่าเส้นทางกลับจะสอดคล้องกัน
ส่วนเสาอากาศแยก
โทรศัพท์มือถือสมัยใหม่และอุปกรณ์เครือข่ายข้อมูลความเร็วสูงใช้โครงสร้างการแยกที่สร้างสรรค์ซึ่งกลายเป็นมาตรฐานทองคำสำหรับเทคโนโลยีการแยกคลื่นความถี่วิทยุ พูดง่ายๆ ก็คือ การแยกเป็นตำแหน่งของเกราะป้องกันบางส่วนรอบๆ ส่วนประกอบที่ไวต่อคลื่นความถี่วิทยุบนกระดาน เพื่อหยุดการแพร่กระจายของคลื่นระหว่างเครื่องส่งและเครื่องรับ ตารางด้านล่างอธิบายโครงสร้างบางส่วนที่สามารถใช้ในส่วนเสาอากาศ RF เพื่อแยกส่วนประกอบ สายป้อนและเสาอากาศ หรือเพื่อแยกแหล่งกำเนิดเสียงภายนอก
โครงสร้างการแยกมักจะวางไว้ระหว่างส่วนประกอบ RF เพื่อป้องกันการเชื่อมต่อทางเสียงและการแลกเปลี่ยนพลังงานระหว่างกัน การกำหนดโครงสร้างการแยกที่จะใช้เพื่อให้แน่ใจว่าความสมบูรณ์ของสัญญาณเสาอากาศ RF เป็นปัญหาการออกแบบที่ซับซ้อนที่ได้รับการศึกษาอย่างละเอียดโดยอุตสาหกรรม หากเราไม่ใช่ผู้เชี่ยวชาญด้านการรวมวงรี เราจำเป็นต้องพึ่งพาโปรแกรมแก้ไขสนามแม่เหล็กไฟฟ้า (EM) เพื่อพิจารณาว่าโครงสร้างเหล่านี้ส่งผลต่ออิมพีแดนซ์ของสายอากาศป้อน/เสาอากาศ RF อย่างไร และระดับของการแยกโครงสร้างเหล่านี้มีให้
หากใช้ตัวแก้ปัญหาภาคสนาม EM สามารถใช้การจำลองระยะใกล้และระยะไกลเพื่อกำหนดพื้นที่ของเค้าโครง PCB ที่มีการปล่อยมลพิษรุนแรง เมื่อระบุพื้นที่เหล่านี้แล้ว ควบคู่ไปกับความถี่ที่ปล่อยออกมา ก็จะช่วยกำหนดว่าควรใช้กลยุทธ์การแยกประเภทใด ควรใช้โดเมนความถี่โดยตรง (วิธี FDFD) แทนที่จะใช้การแปลงฟูริเยร์เพื่อแปลงผลลัพธ์ FDTD
การออกแบบเสาอากาศ RF และการสร้างเลย์เอาต์ต้องการความเอาใจใส่เป็นพิเศษในรายละเอียด ดังนั้นจึงควรระมัดระวังเป็นพิเศษเพื่อให้แน่ใจว่ามีการแยกและความสมบูรณ์ของสัญญาณของการออกแบบ RF
