این روزها آنتن ها در همه جا وجود دارد، بسیاری از فناوری های اصلی مانند تلفن های هوشمند ، امنیت و دستگاه های IoT از آنتن ها برای برقراری ارتباط استفاده می کنند.
آنتن ها
اگرچه موضوع این مقاله آنتن PCB برای 2.4 گیگاهرتز است ، اما برخی از اطلاعات اولیه در مورد آنتن ها بسیار مفید خواهد بود و اگر قصد شما فقط یادگیری آنتن PCB است ، می توانید از این قسمت عبور کنید.
برای درک بهتر آنتن ها ، باید مدارهای تطبیق امپدانس و رزونانس را بررسی کنید. ثابت شده است که برای انتقال حداکثر توان ، مقاومت امپدانس دقیقاً برابر با امپدانس بار است.
آنتن ، اغلب از سیم یا سیم پیچ تشکیل شده است که برای تبدیل جریان با فرکانس بالا به امواج الکترومغناطیسی استفاده می شود و بالعکس. به طور کلی می توان گفت این نوع مبدل ویژه ای است که جریان های فرکانس بالا را به امواج الکترومغناطیسی EM تبدیل می کند.
طول موج، فرکانس و طول آنتن
در یک آنتن، طول موج، فرکانس و طول آنتن با هم ارتباط دارند، قصد دارم این سه پارامتر را با یک مثال اساسی توضیح دهم.
طول و شکل آنتن مربوط به طول موج فرکانس فرستنده است. یعنی طول مکانیکی نسبت معکوس با مقدار فرکانس دارد.
T = 1/f
Where T = Time
F = frequency
So, for an antenna, operating at 50MHz,
t =1/f = 0.2uS,
And the wavelength (λ) = C/f = 3*10^8 / 50*10^6 = 6m
Where, C is the speed of light.
For a quarter wavelength antenna, it becomes λ /4 to be fixed.
مثال بالا برای این بود که به شما نشان دهد چگونه می توانید طول موج را برای یک فرکانس خاص محاسبه کنید.
بنابراین، اگر همان محاسبه را برای 2.45 گیگاهرتز را انجام دهید ، طول آنتن 23 میلی متر را بدست می آوریم.
قبل از ادامه ، بگذارید به شما بگویم که من قصد ندارم تمام جزئیات و زوایای مربوط به آنتن PCB را توضیح دهم، زیرا من سطح تخصص، ابزار و اندازه گیری لازم برای این نوع جزئیات را ندارم. درعوض ، من قصد دارم در مورد برخی از مفاهیم اصلی، بهترین شیوه ها و مواردی که باید در خاطر داشته باشیم بحث کنم. با این گفته بریم آن را طراحی کنیم.
ما قبلاً تصمیم گرفتیم که برای این پروژه از یک چهارم طول موج استفاده کنیم، بنابراین بسته به شرایط مورد نیاز ، فقط دو نوع آنتن اصلی خواهیم داشت:
- آنتن F معکوس
- آنتن F معکوس خط مارپیچ
و ما قصد داریم از آنتن F معکوس خط مارپیچ استفاده کنیم
محاسبات آنتن
قبل از شروع محاسبه ، باید پارامترهای زیر را تنظیم کنیم.
ابتدا باید سطح و فرکانس کاری را انتخاب کنیم، در مرحله بعد باید طول و عرض مناسب سطح را محاسبه کنیم و در آخر طول و عرض ترک را محاسبه کنیم.
برای توضیح طراحی آنتن ، فرض می کنیم که PCB از مواد FR4 ساخته شده است که دارای نفوذپذیری نسبی 4.4 است ، این پارامتر بسیار مهم است بعدا در محاسبه خواهیم دید.
ارتفاع سطح را می توان از رابطه زیر بدست آورد:
![]()
که:
hs = ارتفاع سطح
F = فرکانس در گیگاهرتز
C = سرعت نور در m / s
Σr = ثابت دی الکتریک سطح
عرض ترک را می توان با استفاده از رابطه زیر تعیین کرد :
![]()
طول ترک را می توان با استفاده از رابطه زیر تعیین کرد :
![]()
که:
Σff = نفوذپذیری مؤثر
Σff=(Σr+1/2) + (Σr-1/2) (1/(√1+12hs/(wₚ)))(4)
ΔL = طول فیزیکی
![]()
طول سطح می شود :
Ls = Lp + 6hs
عرض سطح می شود :
ws = wp+ 6 hs(7)
نسبت عرض به عمق میکرواستریپ می شود :
![]()
که:
d = عرض ترک
w = عرض سطح
A = سطح مؤثر
خب کافیه! با استفاده از محاسبات بالا ، بیایید یک برد ESP8266 مبتنی بر 2.45 گیگاهرتز طراحی کنیم تا نشان دهیم چقدر ساده و هم پیچیده است که بتوانید یک برد و ماژول RF را روی برد طراحی کنیم.
طراحی شماتیک
اینجا ما در حال طراحی آنتن 2.4 گیگاهرتز برای برد ریموت هوشمند IR با تراشه ESP8266EX بودیم، بنابراین مدار زیر برای آن است.
![]()
برای طراحی یک شماتیک مناسب مانند این، ما قصد داریم از راهنمای طراحی ESP8266 تهیه شده توسط espressif استفاده کنیم
بنابراین راهنمای طراحی سخت افزار را برای ESP8266 دانلود کردم و در آن، توانستم راهنمای کامل طراحی سخت افزار را پیدا کنم.
در راهنمای طراحی سخت افزار، برخی از الزامات کلیدی طراحی وجود دارد که به آنها اشاره می کنم آن شامل منبع تغذیه آنالوگ و منبع تغذیه دیجیتال برای ESP است. اینجا ما فقط به طراحی آنتن خواهیم پرداخت.
چیدمان برد
![]()
تصویر بالا برد با چیدمان کامل را نشان می دهد.
دو بخش اصلی PCB وجود دارد که باید آنها را در نظر بگیریم ، اول بخش آنتن ، دوم بخش اسیلاتور است. که ما با بخش آنتن ادامه خواهیم داد.
ترک آنتن
یکی از مهمترین نکاتی که باید قبل از روتینگ به آن توجه کنید این است که امپدانس ترک باید 50 اهم باشد زیرا به عنوان خط انتقال فرکانس بالا عمل می کند و این 50 اهم به شدت به ماده دی الکتریک و ضخامت برد بستگی دارد. بنابراین ، برای روتینگ مناسب باید ابتدا آن را محاسبه کنیم.
برای همین ما می خواهیم از ابزار اندازه گیری آنلاین به نام Mantaro استفاده کنیم.
برای محاسبه عرض ترک، تمام پارامترهای مورد نیاز، را که می توانید در وب سایت سازنده پیدا کنید، قرار دهید.
اول عرض ترک است که من دستی آن را وارد کردم و آن 0.9 میلی متر است.
دوم ضخامت ترک، 35 میکرو متر است.
سوم ضخامت دی الکتریک ، ضخامت برد است که 0.5 میلی متر است.
و چهارم ثابتهای دی الکتریک نسبی است که در وب سایت سازنده یافت می شود.
حال اگر دکمه محاسبه را کلیک کنیم، دقیقاً 50 اهم امپدانس می گیرم.
توجه داشته باشید! امپدانس عمدتاً به عرض ترک (w) و ضخامت دی الکتریک (h) بستگی دارد.
![]()
بنابراین ، روتینگ نهایی مانند تصویر بالا خواهد بود
در ویدیوی زیر یک نمونه از طراحی آنتن پی سی بی در آلتیوم دیزاینر نشان داده شده است
موفق باشید.