Le meilleur logiciel de conception d'antennes PCB facilite la mise en œuvre des antennes

La conception d'antennes pour circuits imprimés peut être une tâche difficile dans la plupart des cas, mais ne pose aucun problème à Altium Designer.

ALTIUM DESIGNER

Pour que le positionnement des antennes PCB ne pose aucun problème.

L’évolution de la demande des consommateurs et des industriels soutient la création de dispositifs sans fil de plus en plus petits. Ces appareils prennent en charge les technologies portables, les applications Bluetooth à faible consommation d'énergie (BLE), les systèmes de communication personnelle, les applications de l'Internet des objets (IoT), les technologies médicales, les systèmes avancés d'aide à la conduite automobile et d'autres technologies innovantes. Chacune de ces applications et d'autres nécessitent des antennes PCB qui réduisent l'empreinte physique et le coût tout en maintenant les performances. En outre, la conception des antennes PCB doit également répondre à des exigences de fréquence qui vont de la bande typique de 2,4 GHz jusqu’aux fréquences des ondes millimétriques.

Au lieu d'utiliser un fil tridimensionnel qui s'étend sur le PCB ou une antenne à puce, une antenne PCB est une piste tracée sur une carte de circuit imprimé. Selon le type d'antenne et les contraintes d'espace, les types de pistes utilisés pour les antennes PCB incluent des pistes rectilignes, des pistes de type F inversé, des pistes sinueuses, des pistes circulaires ou une piste courbe avec ondulations. La structure bidimensionnelle des antennes PCB nécessite un logiciel de conception tel qu'Altium Designer pour s'assurer que cette structure répond aux spécifications du fabricant.

Le meilleur logiciel de conception d'antennes PCB combine l'innovation avec l'application finale

Des fabricants proposent des antennes PCB en tant que composants préfabriqués incluent les câbles et les connecteurs. Grâce à l'ensemble des options d'antennes PCB disponibles, une équipe peut compléter la conception du système ou personnaliser une antenne en fonction des exigences électriques et mécaniques. Les conceptions d'antennes PCB vont des patchs microrubans de base jusqu’aux combinaisons de patchs microrubans, en passant par les lignes rubans, les lignes de transmission à guide coplanaire (CPW). Certains modèles peuvent combiner différents types de lignes de transmission au sein d'une même antenne PCB.

Le choix d'une antenne PCB est déterminé par l'application. Une souris sans fil n'a pas besoin de la même portée RF et du même débit de données que d’autres applications. Les capteurs et les dispositifs connectés à l'internet des objets nécessitent des portées RF plus importantes et des débits de données plus élevés. Les nouvelles conceptions d'antennes PCB offrent une couverture à double bande et multi-fréquences pour répondre aux exigences des applications système qui nécessitent des gammes de fréquences à large bande ou des applications multiples desservies par la même antenne.

En raison de la variation des gammes RF, les conceptions qui ont les mêmes exigences de puissance ont souvent des agencements différents et appliquent des principes différents pour la conception des antennes. Quelle que soit l'application, la conception de l'antenne et l’agencement des radiofréquences ont le plus grand impact sur les performances. En outre, les concepteurs d'antennes PCB doivent suivre les directives de routage des pistes RF, utiliser les meilleures pratiques d'empilement et de mise à la terre des PCB, assurer un découplage de l'alimentation électrique et sélectionner les composants passifs RF appropriés. Les différences de conception et d'exigences en matière de produits établissent la nécessité d'un logiciel de conception d'antennes PCB.

Par exemple, certaines applications à hautes fréquences qui n’ont pas besoin de gain plus élevé utilisent des antennes PCB unipolaires qui consistent en un patch microruban formé sur un côté d'un stratifié séparé d'un plan de masse plus large par un diélectrique. D'autres applications peuvent exiger un gain plus élevé à certaines fréquences et utiliser des configurations multicouches. Dans les deux cas, la longueur d'onde de la fréquence de la cible a une relation directe avec la taille du patch.

La conception d'une antenne PCB nécessite une approche fondamentale

La conception d'une antenne PCB commence par la définition des paramètres de performances clés. Ces paramètres incluent

• Perte par réflexion
• Largeur de bande
• Rendement d'antenne
• Diagramme de rayonnement
• Gain.

Chaque antenne doit correspondre à une alimentation de signal qui a une impédance caractéristique typique de 50 ohms. La perte par réflexion d'une antenne est représentative de sa qualité d'adaptation parce qu’elle indique la quantité de puissance incidente (dB) réfléchie par l'antenne à cause d'une désadaptation. Une perte par réflexion infinie montre que l'antenne est correctement adaptée à l'alimentation du signal. Des antennes parfaitement conçues rayonnent toute l'énergie sans aucune réflexion. En général, les équipes de conception estiment qu'une perte par réflexion de 10 dB est suffisante ; 90 % de la puissance incidente arrivant à l'antenne pour le rayonnement.

La largeur de bande d'une antenne mesure sa réponse en fréquence. Pour placer cela dans une perspective différente, la largeur de bande mesure la capacité de l'antenne à s'adapter à l'alimentation du signal sur toute la bande intéressée. En ce qui concerne le fonctionnement d'un dispositif BLE, les pertes les plus importantes interviennent à 2,33 GHz et 2,55 GHz, tandis que les pertes les plus faibles et la meilleure efficacité se produisent entre 2,40 GHz et 2,48 GHz. La plupart des dispositifs grand public utilisent une bande passante plus large pour minimiser l'effet de désaccord causé par l'environnement d'exploitation.

L'efficacité du rayonnement décrit la quantité de puissance non réfléchie dissipée sous forme de chaleur ou de perte thermique dans une antenne. Une efficacité de rayonnement de 100 % indique que toute la puissance non réfléchie rayonne dans l'espace libre. Dans les antennes PCB, la perte thermique se produit par la perte diélectrique dans le substrat FR4 et la perte de conducteur dans les pistes. Les antennes PCB à petit facteur de forme ont la plus faible perte thermique et la plus grande efficacité de rayonnement.

En plus de l'efficacité du rayonnement, les antennes ont une puissance de rayonnement spécifique. Dans un comportement idéal, une antenne rayonne la même puissance dans toutes les directions dans le plan perpendiculaire à son axe. La plupart des antennes PCB ont une efficacité de rayonnement excellente, avec des diagrammes omnidirectionnels, mais elle n’est idéale ! Comme le diagramme de rayonnement montre les directions offrant le rayonnement le plus élevé et le plus faible, l'efficacité de rayonnement montre comment orienter l'antenne en fonction de l'application. Le gain (dBi) d'une antenne mesure l'intensité du rayonnement dans la direction d'intérêt par rapport au comportement idéal.

Outre l'observation de ces paramètres, les antennes PCB nécessitent un plan de masse de taille appropriée pour bénéficier d’un fonctionnement optimal. Du simple point de vue de la conception, l'antenne se comporte comme un résonateur LC. La fréquence de résonance diminue avec l'augmentation de l'inductance ou de la capacitance. Les plans de masse plus grands augmentent la capacitance et diminuent la fréquence de résonance. Une meilleure mise à la terre permet également d'obtenir une perte par réflexion plus favorable. Établir la bonne masse contribue à améliorer les performances de l'antenne PCB.

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La conception d'une antenne PCB présente plusieurs défis

Les équipes qui conçoivent des antennes PCB à haute performance sont confrontées à plusieurs défis différents. Certaines applications peuvent utiliser plusieurs antennes à la fois du côté émetteur et du côté récepteur pour améliorer les performances d'un système d'antenne. Cependant, les éléments d'antenne qui sont très proches les uns des autres peuvent commencer à interagir par couplage mutuel. Chaque réaction entre des éléments affecte la stabilité d’une bonne adaptation d'impédance et gaspille de la puissance. De plus, le couplage électromagnétique perturbe le diagramme de rayonnement de l'antenne, inhibe le gain et affecte la fréquence de résonance.

Un autre défi concerne l'effet de l'enceinte sur la sensibilité de l'antenne. Souvent, le plastique de l’enceinte a une constante diélectrique supérieure à celle de l'air. L'absence d'espace suffisant entre l'antenne et l'enceinte force l'antenne à voir une constante diélectrique effective plus élevée. Par conséquent, la longueur électrique de l'antenne augmente et la fréquence de résonance diminue. Les équipes de conception doivent toujours vérifier la performance du réseau d'adaptation d'antenne avec l’enceinte plastique finale et le produit installé dans un scénario d'utilisation typique.

À hautes fréquences, l'impédance d'un circuit RF change lorsqu'elle est mesurée à différentes distances de la charge. La largeur et l'épaisseur de la piste RF, la distance entre la piste et le sol ainsi que le type de substrat ont également une incidence sur le degré de variation de l'impédance. Dans une antenne PCB, les câbles coaxiaux, les lignes microrubans et les guides d'ondes coplanaires fonctionnent comme des lignes de transmission. Les pratiques courantes consistent à utiliser un circuit passif comme réseau d'adaptation pour transformer l'impédance caractéristique de la piste RF et pour assurer un transfert de puissance maximal entre la source d'adaptation et les impédances de charge.

L'utilisation de circuits à grande vitesse dans les produits électroniques équipés d’antennes en PCB augmente le risque d'interférence électromagnétique et d'émissions rayonnées. Le bruit de commutation simultanée (SSN) causé par la réduction d'échelle des circuits intégrés et l'augmentation des vitesses d'horloge des microprocesseurs provoquent une auto-modulation, ou introduisent des signaux qui ont un impact négatif sur le rapport signal/bruit et déforment le signal transmis par l’antenne. De la même manière, l'antenne peut provoquer un auto-blocage le long de ses lignes de transmission et dégrader les signaux dans tout le PCB.

Que peut apporter un bon logiciel de conception d'antenne ?

Le logiciel de conception d'antenne PCB analyse avec précision les filtres, les lignes microrubans et les composants passifs qui composent une antenne PCB. Le logiciel améliore aussi la conception d'antennes PCB en affichant les couches métal-diélectrique, les alimentations et les types de connecteurs. Pour répondre aux exigences des conceptions modernes, le logiciel d'antenne PCB définit les propriétés géométriques et électriques de l'antenne pour bénéficier d’une performance optimale. La détermination de ces propriétés permet de modéliser l'impédance d'antenne et le diagramme de rayonnement corrects.

• Appliquer les principes de conception d'une antenne en F inversé dans la conception de votre PCB
• Contrôler les interférences électromagnétiques grâce à une antenne à double bande
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L'analyse et la simulation ne sont qu'une partie du processus de conception, idéales pour pouvoir créer vos antennes PCB.

Altium Designer résout les problèmes des antennes PCB

Altium Designer apporte l'éditeur de schématique, l'éditeur de PCB et les outils d'analyse de l'intégrité du signal pour assurer le contrôle et l'adaptation des impédances nécessaires à la cohérence des performances des antennes PCB. L'éditeur de schématique et l'éditeur de PCB garantissent que l’adaptation d'impédance est établie de la broche de sortie à la broche d'entrée cible. En outre, les éditeurs suggèrent des ajouts de composants de terminaison pour obtenir l'adaptation dans tout le circuit et le découplage des condensateurs ou des matériaux utilisés pour empêcher le couplage mutuel entre les antennes. Les équipes de conception peuvent identifier les composants les plus favorables pour la conception de l'antenne PCB grâce aux bibliothèques de bases de données ou Altium Vault.

Les outils d'analyse de l'intégrité du signal dans Altium Designer identifient tous les nœuds qui pourraient avoir des niveaux de réflexion inacceptables. Ces outils prédisent également les niveaux potentiels de réflexion du signal et de diaphonie tout en fournissant une analyse de simulation des composants de terminaison potentiels. La combinaison des éditeurs, des règles de conception et du routage actif garantit que l'acheminement correct du signal se produit et qu'un chemin ininterrompu du courant de retour existe sous le parcours du signal. Grâce à ces techniques, Altium Designer prévient les interférences électromagnétiques et fournit la meilleure conception pour obtenir une performance optimale de l'antenne.

Bien que la mise en place de blindages sur les horloges, les microcontrôleurs et la commutation d’alimentation offre une solution pour éliminer les interférences électromagnétiques, tout blindage bloquera les signaux transmis et ne devrait pas couvrir l'antenne. Altium Designer peut protéger contre l'auto-blocage grâce à une combinaison de règles de conception pour le routage et à sa fonction Active Route. Les pistes de sortie de l'horloge doivent passer sur le plan de masse pour réduire tout courant induit par des champs RF parasites et minimiser les zones de boucle. Altium Designer contribue également à éliminer les antennes de nœuds capables de provoquer un auto-blocage grâce au placement optimal des plans de masse. Tout plan de masse placé directement sous l'horloge permet de former une antenne de nœud.

Le Layer Stack Manager d'Altium définit les couches utilisées dans la conception d'un PCB et régit les types de couches de l’empilement. Pendant leur travail de conception d'une antenne PCB, les équipes peuvent utiliser le Layer Stack Manager pour spécifier chaque couche en fonction du type de matériau, l'épaisseur et la constante diélectrique. Altium Designer inclut également l'option Largeur nominale définie par l'impédance dans la règle de conception « Largeur de routage ». L'option applique une équation standard de l'industrie pour traduire l'impédance en un paramètre de largeur.

Altium Designer fournit également des outils d'agencement PCB 3D qui permettent aux équipes de comprendre l'impact des données mécaniques sur l'antenne PCB. Les équipes de conception peuvent importer le modèle de composant dans l'éditeur de bibliothèque et l’enceinte dans l'éditeur PCB pour effectuer des tests de collision précis. Comme Altium Designer autorise la collaboration ECAD et MCAD, le logiciel permet aux équipes de travailler avec des contraintes physiques externes et de sélectionner la forme de carte appropriée. Avec ces outils, les équipes de conception peuvent effectuer les ajustements nécessaires pour les circuits et les enceintes afin de s'assurer que le plastique n'affecte pas la constante diélectrique.

L'environnement de conception unifiée d'Altium facilite la conception des antennes PCB

Alors que de nombreux logiciels de conception d’antennes PCB fournissent les outils nécessaires, Altium Designer place les outils des schématiques et des PCB dans un seul environnement. De puissants outils de conception tels que Layer Stack Manager et Signal Integrity Analysis répondent aux mêmes menus, commandes et touches de fonction. La suite complète d'outils réunit dans l'environnement de conception unifiée d'Altium permet de faire migrer les concepts du schématique en agencement de PCB, à la documentation de conception, à la fabrication et à la production.

• Découvrez les définitions des empilements PCB dans Altium Designer.
• En savoir plus sur le routage interactif d'Altium Designer
• En savoir plus sur le placement intelligent des composants dans Altium Designer

Soyez sûrs de vos conceptions, que ce soient pour des antennes PCB ou autres.

Le logiciel innovant d'Altium Designer est capable de répondre à tous vos besoins potentiels en matière de conception. Donnez à vos circuits imprimés la sécurité nécessaire pour qu'ils soient transférés à la production de la manière la plus précise et la plus stable possible. Faites confiance à Altium Designer pour réussir vos projets électroniques.