Tecnologia PCBA - ​ Scelta dei materiali del circuito stampato per antenne PCB a basso PIM

I materiali del circuito stampato con varie buone caratteristiche possono soddisfare le esigenze dei moderni sistemi di comunicazione wireless e porre le basi per antenne PCB con bassa distorsione...

Anche se le antenne hanno forme e dimensioni diverse, le antenne a circuito stampato (PCB) possono mantenere le loro prestazioni invariate riducendo notevolmente le loro dimensioni. Naturalmente, le antenne (comprese le antenne basate su PCB) devono essere progettate e prodotte in modo da garantire indicatori minimi di intermodulazione passiva (PIM) al fine di ottenere prestazioni migliori nell'ambiente di segnale affollato di oggi.

Per le antenne PCB, sebbene il basso indice PIM sia principalmente correlato alla progettazione dell'antenna, il materiale del circuito stampato ha anche una grande influenza sulle prestazioni PIM complessive dell'antenna PCB, quindi è anche necessario considerare come scegliere i materiali del circuito a radiofrequenza (RF)/microonde.

PIM è un effetto non lineare simile a diodi. Quando due o più segnali sono combinati (ad esempio, da trasmettitori diversi), vengono generati segnali armonici inutili. Quando il livello di questi segnali armonici aggiuntivi è abbastanza alto e rientra nella gamma di frequenza ricevibile del ricevitore, allora può causare problemi e interferire con il rilevamento normale del ricevitore dei segnali nella banda di frequenza. Anche se PIM non influisce su ogni applicazione, può interferire con il normale funzionamento del sistema di comunicazione wireless, soprattutto quando cerca di recuperare segnali di livello inferiore.

Antenna PCB

Le antenne ad alta frequenza prodotte sotto forma di PCB possono avere molte strutture diverse, dai dipoli semplici a strutture complesse basate su risonatori ad anello e lenti Rotman. Una delle antenne PCB più popolari è l'antenna patch microstrip, che può progettare una struttura di antenna semplice e compatta all'interno di una gamma di frequenze specifica (vedere Figura 1). Molti prodotti utilizzano più antenne patch PCB o strutture risonanti per realizzare antenne di rete beamforming (BFN) o phased array e controllare l'ampiezza e la fase delle loro strutture sottili di antenna PCB per radar o sistemi di comunicazione attraverso regolazioni elettroniche. E la direzione.

Alla frequenza dell'onda millimetrica (mmWave), anche le antenne PCB planari compatte stanno attirando sempre più attenzione. Ad esempio, il sistema avanzato di assistenza alla guida a 77GHz (ADAS) utilizzato nei sistemi elettronici di sicurezza automobilistici utilizza questa antenna per ottenere il rilevamento degli angoli ciechi e funzioni di frenatura automatica e anti-collisione. A causa della bassa potenza del segnale di questo sistema, i ricevitori ADAS devono fare affidamento sulla loro elevata sensibilità per rilevare in modo affidabile gli echi radar riflessi dai pedoni e da altri veicoli.

L'unità antenna patch microtrip irradia energia elettromagnetica (EM) nello spazio libero durante la trasmissione e trasmette l'energia elettromagnetica a un circuito collegato (ad esempio, un ricevitore) durante la ricezione. Ma la patch è solo un componente dell'antenna PCB e l'alimentatore costituisce un'altra parte importante. L'alimentatore funge da ponte tra il circuito di microstrip collegato e la patch radiante per trasmettere e ricevere energia elettromagnetica. Idealmente, la toppa dovrebbe presentare alte radiazioni, mentre l'alimentatore ha basse radiazioni, in modo da realizzare il trasferimento efficace di energia dal circuito alla toppa.

Strategia PIM

Le antenne con PIM superiore possono causare la perdita di dati nei sistemi di comunicazione wireless (come le reti wireless 4G LTE). Questo tipo di rete si basa sul Distributed Antenna System (DAS) per estendere la copertura wireless, e la rete wireless 5G emergente, nonostante la sua frequenza più elevata, è in realtà la stessa.

Per le frequenze del segnale portante f1 e f2 nelle due bande di frequenza del sistema di ricetrasmettitore, PIM è un prodotto misto di nf1-mf2 e nf2-mf1, dove n e m sono numeri interi. Tali armoniche PIM derivate possono essere classificate secondo determinate regole, e l'ordine è determinato dalla somma di m e n, come le componenti di terzo ordine di 2f1-f2 e 2f2-f1 (Figura 3). I prodotti di intermodulazione di terzo ordine meritano attenzione, perché sono i più vicini al segnale portante e possono rientrare nella banda di frequenza del ricevitore e, se i componenti hanno una potenza maggiore, possono causare il blocco della ricezione.

L'ampiezza della componente armonica PIM non è solo una funzione dell'ampiezza di f1 e f2, ma anche una funzione del suo ordine PIM. L'ampiezza dei componenti armonici PIM diminuisce man mano che l'ordine aumenta. Pertanto, i livelli di potenza armonica PIM del quinto, settimo e nono ordine sono di solito piccoli e non influiscono sulle prestazioni del ricevitore.

Quanto basso livello di potenza può essere considerato basso PIM? Questo valore può variare da sistema a sistema. Per i sistemi 4G LTE che utilizzano alcuni componenti passivi (come connettori e cavi) inclusi nelle apparecchiature DAS, -145dBc è solitamente abbastanza basso. In generale, -140dBc o superiore è considerato prestazioni PIM scarse, mentre -150dBc è solitamente migliore e -160dBc è ancora migliore.

Quando si misura il livello PIM delle antenne e di altri componenti passivi in una stanza anecoica a microonde appositamente progettata, il livello di rumore fino a -170dBc può superare il livello di rumore dell'ambiente di prova della camera oscura. Quando due segnali di tono singolo +43dBm vengono utilizzati per la misurazione, il livello di rumore effettivo della maggior parte delle camere oscure del test PIM è -165dBc.

Quando la stessa antenna utilizza un alimentatore comune per ottenere sia le funzioni di trasmissione che di ricezione, il PIM basso è particolarmente importante. Poiché sia il trasmettitore che il ricevitore sono situati nello stesso sistema contemporaneamente, i prodotti non lineari di segnali trasmessi multipli porteranno sempre a onde di sintonizzazione reciproca indesiderate la cui ampiezza è spesso sufficiente a degradare le prestazioni del ricevitore. Comprendere gli effetti delle diverse proprietà dei materiali sul PIM può ridurre l'impatto del PIM sulle antenne PCB.

Sebbene nella maggior parte dei casi il PIM sia causato da materiali irregolari nei nodi del circuito (come giunti di saldatura o connettori), le caratteristiche dei materiali dei circuiti stampati, come le superfici grezze della lamina di rame e diversi tipi di trattamenti superficiali galvanici, possono anche essere influenzate. Produrre livelli PIM inferiori o superiori. Alcuni parametri nei materiali del circuito stampato possono essere utilizzati come riferimento per la progettazione di antenne PCB a basso PIM.

Le antenne e altri componenti passivi realizzati con materiali PCB avranno anche un impatto sulle prestazioni PIM dopo la placcatura superficiale. I materiali ferromagnetici (come il nichel) influenzano seriamente le prestazioni del PIM. La stagnatura ad immersione ha generalmente prestazioni PIM migliori rispetto ai circuiti in rame nudo, mentre i circuiti che utilizzano oro al nichel chimico (ENIG) avranno prestazioni PIM inferiori a causa del nichel.

La pulizia della superficie del circuito favorisce la riduzione delle prestazioni PIM delle antenne microstrip e di altri componenti passivi. I circuiti con maschere di saldatura di solito hanno prestazioni PIM migliori rispetto ai circuiti in rame nudo. Circuiti puliti e nessun trattamento chimico umido residuo sono fondamentali per ridurre le prestazioni PIM. Qualsiasi forma di contaminanti ionici o residui nel circuito può causare scarse prestazioni PIM.

Allo stesso modo, la qualità di incisione del circuito è anche molto importante per migliorare le prestazioni PIM. Se il conduttore della lamina di rame non è sufficientemente corroso, causando rugosità e sbavature sul bordo del circuito, questa situazione può anche degradare le prestazioni PIM.

Finché il materiale del circuito stampato è accuratamente selezionato, è possibile migliorare le prestazioni PIM di componenti o circuiti passivi. Tuttavia, anche se vengono utilizzati materiali a basso contenuto di PIM, alcuni tipi di circuiti potrebbero non essere in grado di migliorare le loro prestazioni PIM a causa della loro struttura essendo più suscettibile al PIM. Ad esempio, Rogers Corp. ha usato materiale del circuito RO4534 di spessore 32,7 mil per condurre esperimenti correlati. Le caratteristiche di questo laminato antenna sono: Dk di 3,4, tolleranza di ±0,08, e un basso fattore di perdita (perdita bassa) di 0,0027 a 10 GHz.