Spiegazione dei fondamenti dell'antenna PCB

Introduzione

Una guida approfondita alle antenne PCB: cosa sono; come funzionano; e la loro importanza per la progettazione di PCB, nonché i problemi di prestazioni e dimensioni a cui prestare attenzione.

Antenne PCB

Te ne andrai con una solida conoscenza dei fondamenti e della terminologia dell'antenna, nonché una comprensione di come i diversi tipi e configurazioni delle antenne PCB possono migliorare le prestazioni, le dimensioni, i costi, l'efficienza, l'affidabilità e altri fattori come la potenza requisiti di gestione, larghezze di banda, frequenze, ecc.

Con l'avanzare della tecnologia e il progressivo miglioramento delle dimensioni e della compattezza dei dispositivi elettronici, grazie all'utilizzo di circuiti integrati (IC) e alla riduzione del numero o dell'assenza di componenti esterni di grandi dimensioni, che hanno permesso di montare i componenti su schede a circuito stampato anziché occupare meno spazio, le antenne hanno gradualmente iniziato a scomparire dalle schede.

Ora che i PCB sono tornati ad essere più grandi grazie alla miniaturizzazione dei circuiti integrati , come ad esempio con la tecnologia SMD ( SMT ), alcune considerazioni relative alle interferenze elettromagnetiche (EMI) sono diventate più importanti che mai, rendendo necessaria la progettazione e l'implementazione di antenne sui circuiti stampati!

Che cos'è un'antenna PCB?

Un'antenna PCB è un piccolo pezzo di metallo piatto che viene solitamente posizionato dietro un circuito stampato. Questa antenna contribuisce alla trasmissione e alla ricezione di segnali radio per dispositivi come computer , telefoni cellulari e altre apparecchiature elettroniche. L'antenna funziona convertendo le onde elettromagnetiche presenti nell'aria in segnali elettrici che possono essere trasmessi via etere.

La progettazione delle antenne su PCB è una parte importante del processo di produzione. Le antenne su PCB sono tipicamente costituite da piste metalliche e fori passanti (vias) incisi sulla superficie di rame del circuito stampato. Le piste metalliche si collegano ai fori passanti, che vengono realizzati praticando dei fori nel circuito stampato in punti specifici.

Utilizzo dell'antenna in un PCB

L'utilizzo di un'antenna in un circuito stampato (PCB) è una parte importante della progettazione, poiché può essere impiegata per aumentare la portata e la potenza dei segnali wireless . L'antenna è essenzialmente un'asta metallica che contribuisce alla trasmissione dei segnali tra i dispositivi. Il suo funzionamento si basa sull'emissione di onde radio in tutte le direzioni, consentendo la comunicazione simultanea con più dispositivi.

L'antenna funziona convertendo l'energia elettrica in radiazione elettromagnetica e viceversa. La radiazione elettromagnetica consiste di fotoni, che sono pacchetti di energia elettromagnetica.

Un modulo a radiofrequenza (RF) può essere costituito da una o più antenne, che sono collegate al PCB attraverso le tracce del circuito stampato (PCB).

Diverse antenne PCB

Tipi di antenna PCB

Le antenne PCB sono tra i tipi di antenna più comuni utilizzati nei dispositivi mobili . Vengono impiegate anche in altri dispositivi elettronici, come telefoni cellulari, computer portatili e tablet. Esistono diversi tipi di antenne PCB tra cui scegliere:

Antenne interne

Queste antenne si trovano all'interno del dispositivo e di solito non sono visibili. Sono utilizzati per connettersi a una rete wireless tramite onde radio. La connessione dell'antenna interna è spesso nascosta nella custodia del telefono o del laptop o persino nel PCB del dispositivo stesso. Questo è il motivo per cui molti utenti non sanno di avere un'antenna interna.

Le antenne interne sono normalmente utilizzate nei dispositivi wireless come telefoni cellulari e computer portatili, nonché nei dispositivi Bluetooth come tastiere e mouse. Non hanno parti esterne e possono essere realizzate utilizzando circuiti stampati (PCB).

Antenne incorporate

Il termine "integrata" si riferisce a un tipo di antenna interna progettata per integrarsi direttamente nei dispositivi. Le antenne integrate vengono spesso utilizzate per connettersi con altri tipi di antenne, come antenne esterne o montate sul tetto.

Queste antenne possono essere realizzate in metallo e plastica. In genere sono progettati per essere integrati nello chassis di un dispositivo, sebbene possano anche essere montati su superfici o strutture vicino al dispositivo stesso.

Le antenne integrate sono generalmente utilizzate nei dispositivi mobili con funzionalità wireless, come smartphone o tablet.

Antenne a chip

Un tipo di antenna interna in uso da decenni. Queste antenne sono generalmente realizzate con materiali di alta qualità come oro, argento e rame. Possono essere utilizzati nel tracciamento GPS, nei telefoni cellulari e persino nelle connessioni Internet wireless.

La dimensione del chip dipenderà dalla potenza necessaria per trasmettere o ricevere segnali a varie distanze dalla sua sorgente.

Ad esempio, se si desidera inviare dati da un luogo all'altro utilizzando un'antenna, è necessaria più potenza rispetto al semplice ricevimento di dati per visualizzarli sullo schermo o inviarli tramite e-mail. Pertanto, il chip dovrà essere più potente e di dimensioni ridotte per non occupare troppo spazio all'interno del dispositivo!

Antenne a toppa

Una piccola antenna a schermo piatto che può essere utilizzata per trasmettere o ricevere segnali. Funziona allo stesso modo delle antenne più grandi. Le antenne patch vengono utilizzate in applicazioni in cui lo spazio è prezioso, ad esempio all'interno di computer e in altre apparecchiature elettroniche. Sono anche utilizzati come parte di una più ampia gamma di antenne su satelliti, veicoli spaziali e altri veicoli.

Antenne flessibili

Un tipo di antenna che può essere piegata o ripiegata senza comprometterne la funzionalità o le prestazioni. Le antenne flessibili sono generalmente realizzate con filo o tubi di rame, separati da isolanti in plastica rispetto alle altre parti del dispositivo in cui sono installate.

Le antenne flessibili hanno molte applicazioni tra cui telefoni cellulari e computer portatili in cui consentono agli utenti di portare i propri dispositivi in tasca senza limitare troppo i loro movimenti, consentendo loro anche una maggiore libertà quando interagiscono con questi dispositivi tramite touch screen ecc...

Antenne esterne

Questi tipi di antenne sono il tipo più comune di antenna e sono facilmente riconoscibili per la loro lunghezza e la loro forma. Possono essere inseriti in un trasmettitore tramite un connettore specifico.

Il trasmettitore invia il segnale all'antenna esterna, che poi lo invia in tutte le direzioni. Questo tipo di antenna viene spesso utilizzato per comunicazioni a lungo raggio e può essere trovato su cose come le antenne paraboliche.

Esistono due tipi di antenne esterne. Queste sono antenna omnidirezionale e antenna direzionale.

Antenna omnidirezionale

Questo tipo di antenna è un'antenna esterna che irradia o intercetta campi elettromagnetici a radiofrequenza in modo uniforme in tutte le direzioni orizzontali su un piano geometrico bidimensionale. Le antenne omnidirezionali sono tipicamente utilizzate per applicazioni a corto e medio raggio, come collegamenti punto-punto, router Wi-Fi e scanner.

L'antenna omnidirezionale ha anche alcuni tipi a seconda del loro aspetto e utilizzo. Ecco qui alcuni di loro:

Antenna per montaggio su terminale

Un tipo di antenna omnidirezionale lunga e montata nel PCB. Possono essere utilizzati per varie applicazioni come le comunicazioni RFID, Bluetooth e NFC. Le antenne per montaggio su terminale sono disponibili in diverse forme e dimensioni. Hanno tutti una cosa in comune; sono progettati per essere montati su PCB o circuiti stampati singolarmente o come parte di un array.

Antenna a frusta

Si tratta di un tipo comune di antenna a carico di base, in cui la bobina di carico è fissata all'estremità dell'asta. L'elevata impedenza all'estremità dell'asta fa sì che la corrente fluisca in modo circolare attorno alla superficie interna della bobina . Questo schema può essere visualizzato immaginando una piccola quantità di carica che si muove in cerchio all'interno di un cerchio più grande.

Le antenne a frusta vengono utilizzate per applicazioni di comunicazione a corto raggio come trasmissioni radio AM, comunicazioni radio a banda cittadina e operazioni su bande radioamatoriali di 2 metri.

Antenna di papera di gomma

Un tipo di antenna omnidirezionale è un'antenna monopolare elettricamente corta che funziona come un'antenna a frusta. È anche conosciuta come paperella di gomma o semplicemente papera. Questo tipo di antenna si trova più comunemente su dispositivi portatili come telefoni cellulari, radio e walkie-talkie perché è realizzato in materiale flessibile e può essere piegato in molte forme diverse.

Antenna a dipolo da esterno

Un tipo di antenna omnidirezionale che produce un diagramma di radiazione. Si approssima a quello di un dipolo elettrico elementare. Ciò significa che l'antenna ha due elementi conduttivi identici separati da una distanza, che fungono da struttura radiante. La lunghezza degli elementi e la loro separazione determina la frequenza alla quale opera questo tipo di antenna.

Antenna stile disco

Questa antenna è un tipo di antenna omnidirezionale a forma di disco piccolo ed è un sistema di antenna 5 in 1 all'interno di un unico alloggiamento, utilizzato per qualsiasi sistema DTV o HDTV. Può essere utilizzato anche in casa o in auto. L'antenna a disco funziona raccogliendo segnali da tutte le direzioni e inviandoli al ricevitore. Viene fornito con un amplificatore integrato nella sua base che aiuta ad aumentare la potenza del segnale quando necessario.

Antenna a montaggio magnetico

L'antenna a montaggio magnetico è un tipo di antenna omnidirezionale progettata con un forte magnete che trattiene l'antenna su una superficie, come la tua auto o il lato della tua casa. Questo tipo di antenna viene spesso utilizzato per applicazioni esterne dove c'è poco spazio per opzioni più tradizionali, come il montaggio su tetto o su palo.

Un'antenna a montaggio magnetico è l'ideale per coloro che desiderano utilizzare il montaggio sul tetto esistente per un altro scopo e può anche essere facilmente installata su superfici metalliche come una recinzione o una porta del garage.

Antenna con montaggio a vite

Questo tipo di antenna omnidirezionale è progettata per essere montata praticando un foro nel soffitto o nel pannello a parete. Questo tipo di antenna ha una lunga storia ed è stato uno dei primi tipi di antenne inventati. Il design è stato ispirato dai parafulmini, utilizzati per attirare i fulmini dai bersagli previsti.

Le antenne con montaggio a vite sono disponibili in molte dimensioni e forme diverse, alcune delle quali sono più comuni di altre. Esistono anche variazioni su questo tipo di antenna che possono includere un amplificatore incorporato in modo che possa captare i segnali meglio di quanto altri tipi di antenne potrebbero essere in grado di fare da soli.

Antenna direzionale

Chiamata anche antenna a fascio. È un'antenna che irradia o riceve energia in direzioni specifiche. Consente prestazioni migliori e interferenze ridotte da qualsiasi fonte indesiderata. Questo tipo di antenna è comunemente utilizzato con i satelliti perché sono in grado di trasmettere e ricevere segnali in una direzione molto stretta. L'antenna parabolica è un esempio di antenna direzionale che trasmette e riceve segnali da antenne terrestri.

Le antenne direzionali hanno anche alcuni tipi a seconda dell'uso e dell'aspetto. Questi sono alcuni tipi di antenne direzionali:

Antenna a pannello

Ha la forma di un foglio o di un pannello. Le antenne a pannello sono spesso utilizzate nelle trasmissioni televisive e nelle reti di telefonia mobile.

Queste antenne sono realizzate con piastre o fogli piatti di materiale conduttivo, come rame o alluminio . Hanno il vantaggio di poter essere modellate in molte forme e dimensioni diverse, il che le rende utili per svariate applicazioni.

Ad esempio, un'antenna a pannello può essere sagomata in modo tale da fornire un'ampia copertura su un'intera regione, oppure può essere sagomata in modo tale da fornire una copertura focalizzata su una sola area.

Antenna parabolica

un tipo di antenna direzionale che è un tipo di antenna parabolica a forma di piatto. Consiste in un riflettore, alimentazione e sub-riflettore. Il riflettore raccoglie le onde radio dal cielo e le focalizza nel feed, che le converte in un segnale elettrico. Il sub-riflettore aiuta a mantenere un punto focale costante per il riflettore.

L'antenna parabolica viene utilizzata nei sistemi di comunicazione satellitare, nei sistemi LAN wireless e nella radioastronomia. Nei sistemi LAN wireless, viene utilizzato per inviare e ricevere dati su una rete wireless (WiFi). In radioastronomia, viene utilizzato per raccogliere le onde radio dallo spazio esterno utilizzando grandi telescopi puntati su aree specifiche del cielo.

Antenna Yagi

Un'antenna direzionale che irradia segnali in una direzione principale. È costituito da un numero di elementi, o dipoli, che sono collegati tra loro ad un'estremità e ad un riflettore all'altra estremità. La sua forma ricorda la lettera Y, da cui il nome.

L'antenna Yagi ha un guadagno elevato rispetto ad altri tipi di antenne perché ci sono più dipoli che si irradiano in fase tra loro e si combinano per produrre prestazioni migliori. La lunghezza e l'orientamento di ciascun dipolo determina la quantità di segnale irradiata da ciascun elemento.

Come scegliere le antenne per le tue applicazioni PCB

Ci sono molte cose da considerare quando si sceglie un'antenna per la propria applicazione PCB. Il primo passo è determinare la gamma di frequenza della tua antenna, così come la sua larghezza di banda. Un'antenna a banda larga coprirà una gamma di frequenze più ampia rispetto a un'antenna a banda stretta e sarà anche in grado di operare su più frequenze.

Se desideri la massima flessibilità in termini di larghezze di banda e intervalli di frequenza, dovresti cercare un'antenna direzionale. Queste antenne hanno larghezze di banda più strette rispetto ad altri tipi di antenne, ma possono anche essere sintonizzate utilizzando un software.

Per le applicazioni in cui è necessario un guadagno elevato e/o capacità direzionali, si consiglia di utilizzare un'antenna a fessura o un'antenna a patch. Queste sono in genere più grandi rispetto ad altri tipi di antenne perché hanno una maggiore capacità di gestione della potenza . Tuttavia, offrono prestazioni migliori rispetto alle antenne omnidirezionali.

Conclusione

Un'antenna su PCB è un componente importante nei dispositivi di comunicazione che consente la captazione, la trasmissione e la ricezione del segnale in frequenza . Tuttavia, non esistono specifiche precise per le antenne su PCB, poiché le antenne sono orientate al campo. Ciò significa che devono essere considerate nel contesto di una simulazione più ampia del dispositivo stesso.

I PCB sono componenti vitali in una vasta gamma di apparecchiature elettroniche, dall'elettronica di consumo di fascia alta ai sistemi di controllo industriale . L'antenna del PCB è una parte importante della maggior parte dei PCB. Funge da punto di comunicazione principale tra il PCB e il mondo esterno.