Technologie PCBA - ​ Choisir un matériau de carte de circuit imprimé pour une antenne PCB PIM faible

Les matériaux de carte de circuit imprimé avec diverses bonnes caractéristiques peuvent répondre aux besoins des systèmes de communication sans fil modernes, jetant les bases d'une antenne PCB à faible distorsion...

Bien que les antennes soient disponibles en différentes formes et tailles, les antennes à circuit imprimé (PCB) peuvent conserver leurs performances tout en réduisant considérablement leur taille. Bien sûr, les antennes, y compris celles à base de PCB, doivent être conçues et fabriquées de manière à garantir un minimum d'indicateurs d'intermodulation passive (PIM) pour fonctionner de manière optimale dans l'environnement de signalisation encombré d'aujourd'hui.

Pour les antennes PCB, bien que le faible indice PIM soit principalement lié à la conception de l'antenne, le matériau de la carte a également une grande influence sur la performance PIM globale de l'antenne PCB, de sorte qu'il est également nécessaire de réfléchir à la façon de choisir un matériau de circuit radiofréquence (RF) / Micro - ondes.

Le PIM est un effet non linéaire qui ressemble à une diode. Lorsque deux ou plusieurs signaux sont combinés (par exemple, à partir d'émetteurs différents), des signaux harmoniques inutiles sont générés. Lorsque le niveau de ces signaux harmoniques supplémentaires est suffisamment élevé et tombe dans la gamme de fréquences réceptrices du récepteur, il peut alors poser des problèmes et perturber la détection normale des signaux dans la bande par le récepteur. Bien que le PIM n'affecte pas chaque application, il peut interférer avec le bon fonctionnement du système de communication sans fil, en particulier lorsqu'il tente de récupérer un signal de niveau inférieur.

Antenne PCB

Les antennes haute fréquence fabriquées sous forme de PCB peuvent avoir de nombreuses structures différentes, allant de simples dipôles à des structures complexes basées sur des résonateurs en anneau et des lentilles Rotman. L'une des antennes PCB les plus populaires est l'antenne microruban patch, qui permet de concevoir une structure d'antenne simple et compacte dans une gamme de fréquences spécifique (voir figure 1). De nombreux produits utilisent plusieurs antennes patch PCB ou structures résonantes pour mettre en œuvre un réseau de formage de faisceaux (BfN) ou une antenne réseau à contrôle de phase et pour contrôler l'amplitude et la phase de leurs structures d'antenne PCB minces utilisées dans les radars ou les systèmes de communication par régulation électronique. Il y a aussi des directions.

Aux fréquences millimétriques (mmwave), les antennes PCB compactes planes attirent également de plus en plus l'attention. Par exemple, le système avancé d'aide à la conduite (Adas) à 77 GHz pour les systèmes de sécurité électroniques automobiles utilise cette antenne pour la détection des angles morts et les systèmes de freinage automatique, ainsi que pour les fonctions d'évitement des collisions. En raison de la faible puissance du signal du système, le récepteur Adas doit compter sur sa haute sensibilité pour détecter de manière fiable les échos Radar réfléchis par les piétons et autres véhicules.

L'unité d'antenne microruban patch rayonne de l'énergie électromagnétique (EM) dans l'espace libre à l'émission et émet de l'énergie électromagnétique à un circuit connecté (par exemple, un récepteur) à la réception. Mais le patch n'est qu'une partie intégrante de l'antenne PCB, et le fil d'alimentation est une autre partie importante. La ligne d'alimentation sert de pont entre le circuit microruban connecté et le patch rayonnant pour transmettre et recevoir de l'énergie électromagnétique. Idéalement, le patch devrait présenter un rayonnement élevé, tandis que la ligne d'alimentation a un faible rayonnement, ce qui permet une transmission efficace de l'énergie du circuit au patch.

Stratégie PIM

Dans les systèmes de communication sans fil tels que les réseaux sans fil 4G LTE, une antenne avec un PIM plus élevé peut entraîner une perte de données. Ce type de réseau repose sur des systèmes d’antennes distribuées (DAS) pour étendre la couverture sans fil, alors que les réseaux sans fil 5G émergents, bien que plus fréquents, le font en réalité.

Pour les fréquences F1 et F2 du signal porteur dans les deux bandes du système émetteur - récepteur, PIM est le produit mixte de NF1 - mf2 et nf2 - mf1, où N et m sont des nombres entiers. De tels harmoniques PIM dérivés peuvent être classés selon certaines règles dont l'ordre est déterminé par la somme de m et n, par example les composantes du troisième ordre de 2f1 - F2 et 2F2 - F1 (Figure 3). Les produits d'intermodulation du troisième ordre sont préoccupants car ils sont les plus proches du signal porteur et peuvent tomber dans la bande de fréquence du récepteur et provoquer un blocage de la réception si ces composantes sont de puissance supérieure.

L'amplitude de la composante harmonique PIM est fonction non seulement des amplitudes F1 et F2, mais aussi de son ordre PIM. L'amplitude de la composante harmonique PIM diminue à mesure que l'ordre augmente. Ainsi, les niveaux de puissance harmonique PIM d'ordre 5, 7 et 9 sont généralement faibles et n'affectent pas les performances du récepteur.

Dans quelle mesure un faible niveau de puissance peut - il être considéré comme un faible PIM? Cette valeur peut varier selon le système. Pour les systèmes 4G LTE qui utilisent certains des composants passifs inclus dans le périphérique Das, tels que les connecteurs et les câbles, - 145 DBC est généralement suffisamment faible. En général, - 140dbc ou plus est considéré comme une mauvaise performance PIM, alors que - 150dbc est généralement mieux, - 160dbc est encore mieux.

Lorsque les niveaux de PIM des antennes et d'autres éléments passifs sont mesurés dans une chambre noire à micro - ondes spécialement conçue, les niveaux de bruit aussi bas que - 170 DBC peuvent dépasser ceux de l'environnement d'essai de la chambre noire. La plupart des chambres noires testées PIM ont un niveau de bruit réel de - 165 DBC lorsque les mesures sont effectuées avec deux signaux monotones + 43 DBM.

Un faible PIM est particulièrement important lorsque la même antenne utilise une ligne d'alimentation commune pour les fonctions d'émission et de réception. L'émetteur et le récepteur étant situés simultanément dans le même système, le produit non linéaire de plusieurs signaux émis conduira toujours à des harmoniques d'intermodulation indésirables, dont l'amplitude sera généralement suffisante pour dégrader les performances du récepteur. Comprendre l'impact des différentes propriétés des matériaux sur l'Intermodulation passive peut réduire l'impact de l'Intermodulation passive sur les antennes PCB.

Bien que, dans la plupart des cas, le PIM soit causé par des matériaux hétérogènes (tels que des points de soudure ou des connecteurs) dans les nœuds du circuit, les caractéristiques des matériaux de la carte, telles que la surface rugueuse de la Feuille de cuivre et différents types de traitement de surface galvanique, peuvent également être affectées. Produit des niveaux de PIM inférieurs ou supérieurs. Certains paramètres dans le matériau de la carte peuvent être utilisés comme référence pour la conception d'antennes PCB à faible PIM.

Les antennes et autres éléments passifs en matériau PCB peuvent également avoir un impact sur les performances PIM après le placage de la surface. Les matériaux ferromagnétiques, tels que le nickel, affectent gravement les propriétés du PIM. L'étamage immergé a généralement de meilleures performances PIM que les circuits en cuivre nu, tandis que les circuits utilisant du nickel - or chimique (enig) ont des performances PIM inférieures en raison du nickel.

Le nettoyage de la surface du circuit est bénéfique pour réduire les performances PIM des antennes microruban et autres éléments passifs. Les circuits avec masque de soudure ont généralement de meilleures performances PIM que les circuits en cuivre nu. Un circuit propre et un traitement chimique humide sans résidus sont des bases importantes pour réduire les performances du PIM. Toute forme de contaminants ioniques ou de résidus dans le circuit peut entraîner de mauvaises performances PIM.

De même, la qualité de gravure du circuit est également très importante pour améliorer les performances PIM. Cette condition peut également réduire les performances PIM si les conducteurs en feuille de cuivre ne sont pas suffisamment corrodés, ce qui entraîne des aspérités et des bavures sur les bords du circuit.

Il est possible d'améliorer les performances PIM d'un composant passif ou d'un circuit simplement en choisissant soigneusement le matériau de la carte. Cependant, même avec des matériaux à faible PIM, certains types de circuits peuvent ne pas améliorer leurs performances PIM, car leur structure est plus vulnérable aux PIM. Par exemple, Rogers a utilisé un matériau de carte de circuit ro4534 de 32,7 mil d'épaisseur pour mener des expériences connexes. Les caractéristiques d'un tel stratifié d'antenne sont: DK de 3,4 avec une tolérance de ± 0,08 et un faible facteur de perte (faible perte) de 00027 à 10 GHz.