Антенна на печатной плате, также известная как pcb антенна, представляет собой антенну, встроенную непосредственно в печатную плату. По сравнению с традиционными внешними антеннами, pcb антенна обеспечивают беспроводную передачу и прием сигнала путем травления или печати специальных узоров на печатной плате. Такая конструкция позволяет бесшовно интегрировать антенну с другими электронными компонентами внутри устройства, экономить место и улучшать общую компактность и эстетику конструкции.
Типы антенна на печатной плате:
Микрополосковые антенны
Микрополосковые антенны — широко распространенный тип антенна на печатной плате, которые обычно состоят из плоского излучающего элемента и опорной пластины, разделенных слоем диэлектрического материала. Их простая конструкция облегчает интеграцию и делает их пригодными для применения в беспроводных системах связи в нескольких частотных диапазонах, таких как Wi-Fi, Bluetooth и сотовые сети.
Полосковая антенна
Полосковые антенны образуют излучающие элементы путем травления широких проводящих полос на печатная плата. Их широкая полоса пропускания поддерживает многодиапазонные коммуникационные требования, что делает их подходящими для устройств, требующих поддержки нескольких частот, таких как смартфоны и многофункциональные маршрутизаторы.
Рамочные антенны
Рамочные антенны обеспечивают излучение и прием благодаря конструкции в виде круговой структуры на печатные платы. Круглые антенны обеспечивают высокий коэффициент усиления и отличную направленность, что делает их подходящими для устройств, требующих мощной связи, таких как спутниковая связь и высокочастотные радиолокационные системы.
Спиральные антенны
Спиральные антенны имеют спиралевидную структуру на печатная плата и обеспечивают свои излучающие свойства за счет нескольких витков. Они обладают благоприятными поляризационными и широкополосными характеристиками, что делает их подходящими для систем беспроводной связи, требующих поддержки нескольких поляризаций.
Соображения по выбору материала для антенна на печатной плате:
Диэлектрическая проницаемость (Er): Диэлектрическая проницаемость определяет скорость распространения сигнала внутри материала и оказывает значительное влияние на размеры антенны, частотную характеристику и излучающие свойства. Для оптимальной конструкции антенны необходимо выбрать подходящую диэлектрическую проницаемость, чтобы удовлетворить определенным требованиям к частотному диапазону и размерам.
Коэффициент потерь (Tan δ): этот показатель количественно оценивает потери материала при высокочастотных сигналах. Более низкий коэффициент потерь минимизирует затухание сигнала и повышает эффективность антенны.
Термическая стабильность: термическая стабильность подложки печатные платы имеет решающее значение для поддержания производительности антенны при различных температурах окружающей среды. Чрезмерные температуры могут привести к деформации платы или изменению диэлектрической проницаемости, что негативно скажется на производительности антенны.
Механическая прочность и обрабатываемость: материалы для печатных плат, используемые в конструкции антенн, должны обладать высокой механической прочностью, особенно для обеспечения структурной стабильности при высокочастотных сигналах. Кроме того, простота обработки и обработка поверхности являются важными факторами при выборе материалов для печатных плат.
Изготовление антенна на печатной плате:
Выбор материалов
На производительность антенна на печатной плате существенное влияние оказывают выбранные материалы. Материалы с высокой электропроводностью, такие как медь и алюминий, обычно используются для изготовления проводящих элементов антенны, чтобы обеспечить эффективную передачу сигнала. Выбор диэлектрических материалов имеет решающее значение и требует тщательного учета их диэлектрической проницаемости и коэффициента потерь для оптимизации электромагнитной мощности антенны. Как правило, материалы печатных плат для конструкций антенных излучателей должны быть относительно толстыми и иметь низкую диэлектрическую проницаемость (значение Dk), например, материалы с значением Dk от 2,2 до 3,5.
Хотя материалы с более высокими значениями Dk могут иметь более низкую эффективность излучения, в антенных цепях, с учетом различных факторов, часто используются материалы с значением Dk около 3. К органическим материалам относятся фенольная смола, стекловолокно/эпоксидная смола, полиимид и BT/эпоксидная смола, в то время как неорганические материалы также могут рассматриваться в качестве вариантов подложки.
Например, RO4534 и RO4535 это армированные стекловолокном термореактивные смолы с керамическим наполнителем, которые обеспечивают отличную стабильность размеров и равномерные механические свойства, тем самым улучшая пассивную интермодуляционную характеристику (PIM). Для антенных приложений с частотой выше 60 ГГц предпочтительным материалом для медной фольги является прокатная медь, а в качестве подложки следует выбирать материалы из ПТФЭ с низкими потерями, такие как ламинаты DiClad 880 или серия RO3003 композитных материалов из ПТФЭ с керамическим наполнителем.
Хотя материалы с более высокими значениями Dk могут иметь более низкую эффективность излучения, в антенных цепях, с учетом различных факторов, часто используются материалы с значением Dk около 3. К органическим материалам относятся фенольная смола, стекловолокно/эпоксидная смола, полиимид и BT/эпоксидная смола, в то время как неорганические материалы также могут рассматриваться в качестве вариантов подложки.
Травление и печать
Травление или печать антенных шаблонов является решающим этапом в производстве антенна на печатной плате. Высокоточные методы травления и передовые технологии печати обеспечивают точность и стабильность антенных шаблонов, тем самым улучшая общую производительность антенны. Травленые антенны обладают значительными преимуществами в плане высокой точности и надежности.
Однако из-за сложных процессов производства и более высокой стоимости они не подходят для антенн со сложной конструкцией. В процессе фотохимического травления светочувствительный резист или сухопленочный резист наносится на чистый ламинат с медным покрытием. Затем происходит экспонирование, проявление, отверждение пленки и травление для создания изображения электрической схемы. Травленые антенны обычно изготавливаются из меди или алюминия с использованием технологий, аналогичных технологиям производства гибких печатных плат. В типичном процессе производства печатных плат используется «метод паттернирования», при котором на участки медной фольги (области схемы), которые должны остаться, наносится слой сетчатого фоторезиста, а затем остальная медная фольга удаляется химическим травлением.
Многослойная печатная плата
Для достижения сложных антенных структур и более высокой степени интеграции в антенна на печатной плате часто используются многослойные конструкции печатных плат. Проведение сигнала и экранирование между различными слоями улучшают характеристики антенны и помехоустойчивость. Например, HDI-стекинг (High-Density Interconnect) позволяет соединять многослойные схемы с помощью точно контролируемых слепых и погребенных переходных отверстий, диаметр которых значительно меньше, чем у традиционных переходных отверстий печатных плат. Этот усовершенствованный метод соединения не только уменьшает объем печатной платы, но и увеличивает плотность трассировки.
Многослойные печатные платы находят широкое применение в компьютерной технике и отвечают требованиям быстрой передачи сигнала, стабильности и интеграции. Более высокие диэлектрические постоянные в многослойных материалах печатных плат позволяют уменьшить размеры антенн, но также снижают полосу пропускания антенн. Керамические антенны, которые имеют более высокую диэлектрическую проницаемость, чем подложки печатных плат, эффективно минимизируют размер антенны. При проектировании многослойные печатные платы количество слоев должно определяться на основе размера схемы, размеров печатная плата и требований к электромагнитной совместимости (ЭМС).
Обработка поверхности
Обработка поверхности антенн оказывает значительное влияние на их производительность и долговечность. Такие процессы, как позолота или лужение, улучшают проводимость и стойкость к окислению, продлевая таким образом срок службы антенны. Основная цель обработки поверхности печатных плат заключается в обеспечении хорошей паяемости или электрических характеристик. Дело в том, что медь легко окисляется на воздухе. Окисление медного слоя может привести к образованию холодных паяных соединений, неправильным паяным соединениям или даже к тому, что контактные площадки не смогут быть припаяны к компонентам.
К распространенным методам обработки поверхности печатных плат относятся OSP (Organic Solderability Preservative), горячее лужение, химическое никелирование/позолота, химическое серебрение, химическое лужение и химическое позолота. OSP — это процесс, при котором на голые медные поверхности химическим способом наносится органический пленочный слой, обеспечивающий устойчивость к окислению, перепадам температуры и влажности. При обработке поверхности миллиметровых волновых антенна на печатной плате серебрение, как правило, превосходит по радиочастотным характеристикам позолоту и обеспечивает в целом более высокую эффективность антенны.
Области применения антенна на печатной плате:
Потребительская электроника: смартфоны (5G/Wi-Fi/Bluetooth), планшеты, смарт-часы.
Интернет вещей (IoT): сенсорные узлы, RFID-метки, устройства для умного дома (например, модули ZigBee).
Автомобильная электроника: GPS-навигация, системы бесключевого доступа, коммуникационные модули в автомобиле.
Промышленность и медицина: промышленное беспроводное управление, устройства дистанционного мониторинга, медицинские мониторы.
Коммуникационная инфраструктура: антенные решетки базовых станций 5G, малые соты.
Как антенны, встроенные в печатные платы, антенна на печатной плате играют незаменимую роль в современной беспроводной связи благодаря своей миниатюрности, высокой интеграции и экономичности. В перспективе антенна на печатной плате будут продолжать развиваться в направлении многофункциональности, повышения производительности и уменьшения размеров.
Благодаря инновационным методам проектирования и технологиям производства антенна на печатной плате готовы к прорывам в новых областях, которые будут способствовать дальнейшему развитию технологий беспроводной связи и открывать больше удобств и возможностей для современной жизни.
