Una scheda antenna, nota anche come antenne PCB, è un’antenna integrata direttamente su un circuito stampato. Rispetto alle tradizionali antenne esterne, le antenne pcb ottengono la trasmissione e la ricezione del segnale wireless incidendo o stampando modelli specifici sul circuito stampato. Questo design consente una perfetta integrazione dell’antenna con altri componenti elettronici all’interno del dispositivo, risparmiando spazio e migliorando la compattezza e l’estetica complessiva del design.
Tipi di scheda antenna:
Antenna a microstriscia
Le antenne a microstriscia sono un tipo molto diffuso di antenne PCB, solitamente costituite da un elemento radiante planare e da una piastra di base, separati da uno strato di materiale dielettrico. La loro struttura semplice ne facilita l’integrazione e le rende adatte per applicazioni di comunicazione wireless su più bande di frequenza, come Wi-Fi, Bluetooth e reti mobili.
Antenna a striscia
Le antenne a striscia formano elementi radianti incidendo ampie strisce conduttive sul circuito stampato.La loro ampia larghezza di banda supporta i requisiti di comunicazione multibanda, rendendole adatte a dispositivi che richiedono il supporto multifrequenza,come smartphone e router multifunzionali.
Antenna a telaio
Le antenne a telaio ottengono la radiazione e la ricezione creando una struttura circolare sul circuito stampato.Le antenne circolari offrono un guadagno elevato e un’eccellente direttività, rendendole adatte a dispositivi che richiedono comunicazioni potenti, come le comunicazioni satellitari e i sistemi radar ad alta frequenza.
Antenna a spirale
Le antenne a spirale hanno una struttura a spirale sul circuito stampato e ottengono le loro proprietà di radiazione attraverso una serie di spire. Hanno proprietà di polarizzazione e banda larga favorevoli, che le rendono adatte ai sistemi di comunicazione wireless che richiedono il supporto di più polarizzazioni.
Considerazioni sulla scelta del materiale per l’antenne PCB:
Costante dielettrica (Er): la costante dielettrica determina la velocità di propagazione del segnale all’interno del materiale e ha un’influenza significativa sulle dimensioni dell’antenna, sulla risposta in frequenza e sulle caratteristiche di radiazione. Per una progettazione ottimale dell’antenna, è necessario selezionare una costante dielettrica adeguata per soddisfare determinati intervalli di frequenza e requisiti dimensionali.
Fattore di perdita (Tan δ): questo valore quantifica la perdita di materiale nei segnali ad alta frequenza. Un fattore di perdita più basso riduce al minimo l’attenuazione del segnale e migliora l’efficienza dell’antenna.
Stabilità termica: la stabilità termica di un substrato PCB è fondamentale per mantenere le prestazioni dell’antenna a diverse temperature ambientali. Temperature eccessive possono causare deformazioni della scheda o variazioni della costante dielettrica, compromettendo così le prestazioni dell’antenna.
Resistenza meccanica e lavorabilità: i materiali PCB utilizzati nella progettazione delle antenne richiedono una robusta resistenza meccanica, in particolare per garantire la stabilità strutturale in presenza di segnali ad alta frequenza. Inoltre, la facilità di lavorazione e il trattamento superficiale sono fattori essenziali nella scelta dei materiali PCB.
Produzione di schede antenna:
Scelta dei materiali
Le prestazioni delle scheda antenna sono influenzate in modo significativo dai materiali selezionati. I materiali con elevata conduttività elettrica, come il rame e l’alluminio, vengono solitamente utilizzati per gli elementi conduttivi dell’antenna al fine di garantire una trasmissione efficiente del segnale. La scelta dei materiali dielettrici è di fondamentale importanza e richiede un’attenta valutazione della loro costante dielettrica e del loro fattore di perdita, al fine di ottimizzare le prestazioni elettromagnetiche dell’antenna. In genere, i materiali dei circuiti stampati per le strutture dei radiatori delle antenne dovrebbero essere relativamente spessi e avere una bassa costante dielettrica (valore Dk), ad esempio materiali con un valore Dk compreso tra 2,2 e 3,5.
Sebbene i materiali con valori Dk più elevati possano avere un’efficienza di radiazione inferiore, nei circuiti delle antenne vengono spesso utilizzati materiali con un valore Dk di circa 3, tenendo conto di diversi fattori. I materiali organici includono resina fenolica, fibra di vetro/epossidica, poliimmide e BT/epossidica, mentre anche i materiali inorganici possono essere utilizzati come substrati.
Ad esempio, RO4534 e RO4535 sono materiali in resina termoindurente rinforzata con fibra di vetro e riempita con ceramica che offrono un’eccellente stabilità dimensionale e proprietà meccaniche uniformi, migliorando così le prestazioni di intermodulazione passiva (PIM). Per le applicazioni con antenne oltre i 60 GHz, il rame laminato è il foglio di rame preferito, mentre per il substrato è opportuno scegliere materiali PTFE a bassa perdita, come i laminati DiClad 880 o la serie RO3003 di compositi PTFE caricati con ceramica.
Incisione e stampa
L’incisione o la stampa dei modelli delle antenne è una fase cruciale nella produzione delle scheda antenna. Processi di incisione ad alta precisione e tecniche di stampa avanzate garantiscono l’accuratezza e l’uniformità dei modelli delle antenne, migliorando così le prestazioni complessive dell’antenna. Le antenne incise offrono vantaggi significativi in termini di alta precisione e robusta affidabilità.
Tuttavia, a causa dei loro processi di produzione complessi e dei costi più elevati, non sono adatte per antenne strutturalmente complesse. Nel processo di incisione fotochimica, un resist fotosensibile o un resist a film secco viene applicato su un laminato rivestito di rame pulito. Seguono l’esposizione, lo sviluppo, l’indurimento del film e l’incisione per creare l’immagine del circuito.
Le antenne incise sono solitamente realizzate in rame o alluminio e vengono prodotte con processi simili a quelli utilizzati per i circuiti stampati flessibili. In un tipico processo di produzione di circuiti stampati viene utilizzato il “processo di placcatura del modello”, in cui uno strato di resistente al piombo-stagno viene applicato sulle sezioni di foglio di rame (le aree del modello del circuito) che devono essere conservate, e successivamente il foglio di rame rimanente viene inciso chimicamente.
Disegno di pcb multistrato
Per ottenere strutture di antenne complesse e una maggiore integrazione, nelle scheda antenna vengono spesso utilizzati circuiti stampati multistrato. La conduzione del segnale e la schermatura tra i diversi strati migliorano le prestazioni dell’antenna e la resistenza alle interferenze. Ad esempio, l’HDI-Stacking (High-Density Interconnect) consente il collegamento di circuiti multistrato tramite vie cieche e sepolte controllate con precisione, il cui diametro è notevolmente inferiore rispetto ai tradizionali fori passanti dei PCB. Questo metodo di collegamento perfezionato non solo riduce il volume del circuito stampato, ma aumenta anche la densità di instradamento.
I circuiti stampati multistrato trovano ampia applicazione nella tecnologia informatica e soddisfano i requisiti di trasmissione rapida del segnale, stabilità e integrazione. Costanti dielettriche più elevate nei materiali dei circuiti stampati multistrato consentono dimensioni dell’antenna più piccole, ma riducono anche la larghezza di banda dell’antenna. Le antenne in ceramica, che hanno costanti dielettriche più elevate rispetto ai substrati dei circuiti stampati, riducono efficacemente le dimensioni dell’antenna. Nella progettazione di circuiti stampati multistrato, il numero di strati deve essere determinato in base alle dimensioni del circuito, alle dimensioni del circuito stampato e ai requisiti di compatibilità elettromagnetica (EMC).
Trattamento superficiale
Il trattamento superficiale delle antenne ha un impatto significativo sulle loro prestazioni e durata. Processi come la doratura o la stagnatura migliorano la conduttività e la resistenza all’ossidazione, prolungando così la durata dell’antenna. Lo scopo fondamentale del trattamento superficiale dei circuiti stampati è quello di garantire una buona saldabilità o prestazioni elettriche. Questo perché il rame si ossida facilmente a contatto con l’aria. L’ossidazione dello strato di rame può causare punti di saldatura freddi, saldature errate o addirittura impedire la saldatura dei pad ai componenti.
I trattamenti superficiali comuni dei circuiti stampati includono OSP (Organic Solderability Preservative), stagnatura a caldo, nichelatura/doratura chimica, argentatura chimica, stagnatura chimica e doratura chimica. L’OSP è un processo in cui uno strato di film organico viene applicato chimicamente su superfici di rame nude per fornire resistenza all’ossidazione, resistenza agli sbalzi di temperatura e resistenza all’umidità. Nel trattamento superficiale delle scheda antenna a onde millimetriche, l’argentatura è generalmente superiore alla doratura in termini di prestazioni RF e offre un’efficienza complessiva dell’antenna migliore.
Campi di applicazione dell’antenne PCB:
Elettronica di consumo: smartphone (5G/Wi-Fi/Bluetooth), tablet, smartwatch.
Internet delle cose (IoT): nodi sensori, tag RFID, dispositivi per la casa intelligente (ad es. moduli ZigBee).
Elettronica automobilistica: navigazione GPS, sistemi di accesso senza chiave, moduli di comunicazione nel veicolo.
Industria e medicina: controllo wireless industriale, dispositivi di monitoraggio remoto, monitor medici.
Infrastruttura di comunicazione: array di antenne per stazioni base 5G, small cell.
Essendo antenne integrate nei circuiti stampati, le scheda antenna svolgono un ruolo indispensabile nella moderna comunicazione wireless grazie alla loro miniaturizzazione, elevata integrazione ed efficienza in termini di costi. Guardando al futuro, i antenne pcb continueranno a evolversi verso la multifunzionalità, prestazioni migliorate e dimensioni ridotte. Grazie a metodi di progettazione e tecniche di produzione innovativi, le antenne pcb sono pronte a realizzare progressi rivoluzionari in nuovi settori, promuovendo ulteriormente le tecnologie di comunicazione wireless e aprendo la strada a maggiori comodità e opportunità per la vita moderna.
