Diseño de PCB RF e inalámbrico

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RF se está volviendo casi omnipresente; ¿Cuántos dispositivos en su hogar contienen al menos una antena? Los segmentos automotriz, aeroespacial, de defensa y de IoT están ampliando los límites de la comunicación inalámbrica. Pero diseñar una PCB de RF es muy diferente a diseñar placas típicas.

Recientemente nos reunimos con el instructor de IPC, Kris Moyer, para conversar sobre el diseño de PCB de RF y aplicaciones inalámbricas en general. Kris enseña diseño de RF, entre otras cosas, por lo que le pedimos que discutiera las técnicas de diseño de RF, cómo el diseño para aplicaciones inalámbricas difiere del diseño de PCB tradicionales, y cuándo diseñar su propia antena versus usar comercial listo para usar (COTS) antenas

Andy Shaughnessy: Kris, cuéntenos sobre el mercado de RF y PCB inalámbricas. ¿Cómo se compara con el resto del mercado de PCB?

KrisMoyer: Nunca es enorme, pero con el aumento de dispositivos inteligentes y dispositivos IoT, definitivamente está creciendo. No es fácil de diseñar. Piense en su teléfono celular moderno o en su reloj inteligente moderno que tiene GPS, una antena Wi-Fi, una antena celular y una antena Bluetooth.

Feliz Holden:Ahora hay carga inalámbrica.

Moyer: Bien. Por lo tanto, hay cinco frecuencias y módulos de RF diferentes que se ejecutan simultáneamente en una placa. Probablemente hay más de cinco que no conocemos en términos de lo que están haciendo los militares, la NASA y otras organizaciones como SpaceX con cientos de pequeños satélites. La gran pregunta es: ¿Cómo logras que todo eso funcione en conjunto y no interfiera entre sí?

Shaughnessy:Nuestros lectores tienen muchas preguntas sobre antenas y diseño de antenas.

Moyer: Esto significa no solo diseñar el diseño de la antena en sí, sino también los protocolos Bluetooth y Wi-Fi, el cumplimiento de la FCC y el diseño a nivel del sistema para integrar todos estos diferentes métodos de comunicación. Tiene todo tipo de protocolos IEEE diferentes involucrados con eso, y cómo pueden interactuar o interferir entre sí. ¿Cómo maneja los conectores SMA, las impedancias controladas, las cavidades de onda, etc.?

En los días de la radio, era literalmente solo un amplificador, un transmisor y un receptor. El diseño de la antena fue fundamental porque controlaba su frecuencia, etc. Es por eso que solíamos tener antenas de TV en el pasado, especialmente las antiguas antenas de TV que tenían forma de triángulo. Usaron la forma de triángulo porque cada una de esas longitudes de antena captaba una frecuencia diferente. Hoy en día, no es solo el diseño de la antena, sino qué chip necesitas usar. En realidad, venden no solo antenas 3D, sino también antenas preempaquetadas en paquetes de chips. Puede comprar una antena Bluetooth en el equivalente de, digamos, un 1206 o un paquete de chips, y simplemente soldarlo a la placa.

Shaughnessy:Parece que la forma más fácil de avanzar sería usar una antena comercial, ya que ha sido validada, supongo, y se ha realizado el trabajo preliminar.

Moyer: Hay más matemáticas involucradas en el diseño de su propia antena, que técnicamente es un "dispositivo de geometría de cobre". Si está tratando de diseñar la antena a partir del trazado de la placa, hay muchas matemáticas y análisis de ingeniería que se involucran en eso. Específicamente, para que la antena funcione correctamente, debe convertir al proceso SAP o mSAP para no obtener geometrías no ideales que obtiene del proceso sustractivo estándar. Debe ser mucho más diligente con el ancho y el espacio libre, especialmente si está serpenteando su antena en lugar de hacer un trazo largo y recto, para ahorrar espacio en la placa.

Con un patrón serpenteante, ahora el ancho del espacio y la longitud antes de los giros serán mucho más críticos de lo que es con la simple serpentina que haría para igualar la longitud. Hay muchas más matemáticas involucradas si está tratando de diseñar la antena real. Si, por otro lado, todo lo que está haciendo es comprar piezas e intentar conectarlas, todavía está interesado en las técnicas de enrutamiento de placas de RF, pero sin las matemáticas complejas del diseño de antenas.

Para leer esta entrevista completa, que apareció en la edición de abril de 2023 de Design007 Magazine, haga clic aquí.