هوائي PCB هو حل هوائي مدمج شائع يُستخدم في الأجهزة اللاسلكية المدمجة. يتكوّن من مسارات نحاسية على لوحة دائرة مطبوعة، ويُستخدم على نطاق واسع في أجهزة إنترنت الأشياء ووحدات WiFi ومنتجات Bluetooth والعدادات الذكية وأجهزة التحكم عن بُعد وأجهزة التتبع وغيرها من الإلكترونيات اللاسلكية.
لا يقتصر اختيار هوائي PCB على اختيار تصميم مرجعي فحسب. إذ تؤثر النطاق الترددي وحجم PCB ومستوى الأرض ومساحة الخلوص حول الهوائي ومادة الغلاف والمكونات المجاورة ودائرة المطابقة جميعها في أداء الهوائي النهائي.
يوضح هذا الدليل كيفية اختيار هوائي PCB لجهازك اللاسلكي، ومتى قد تحتاج إلى تصميم مخصص لهوائي PCB.
ما هو هوائي PCB؟
هوائي PCB هو بنية هوائي تُطبع مباشرة على لوحة دائرة. ويستخدم مسارات نحاسية لبث إشارات RF واستقبالها. يمكن تصميم هوائي PCB على لوحة PCB الرئيسية للمنتج أو على لوحة PCB منفصلة للهوائي متصلة بالجهاز.
تشتهر هوائيات PCB بأنها يمكن أن تكون مدمجة وفعالة من حيث التكلفة ومناسبة للإنتاج الكمي. وغالبًا ما تُستخدم عندما يحتاج المنتج إلى هوائي داخلي دون إضافة مكون هوائي خارجي.
ومع ذلك، تعتمد هوائيات PCB بشكل كبير على بنية المنتج. فالتصميم الذي يعمل جيدًا على لوحة واحدة قد لا يؤدي بالطريقة نفسها على جهاز آخر.
متى يكون هوائي PCB خيارًا جيدًا؟
قد يكون هوائي PCB خيارًا جيدًا عندما:
- يحتاج الجهاز إلى هوائي داخلي
- تتوفر في المنتج مساحة كافية على PCB
- الغلاف مصنوع من البلاستيك في معظمه
- يمكن وضع الهوائي بعيدًا عن الأجزاء المعدنية
- يُعد التحكم في التكلفة أمرًا مهمًا للإنتاج الضخم
- يستخدم المنتج نطاقات لاسلكية شائعة مثل WiFi أو Bluetooth أو Zigbee أو LoRa أو sub-GHz
- يمكن أن يحجز التصميم مساحة خلوص كافية للهوائي
بالنسبة للعديد من أجهزة إنترنت الأشياء المدمجة، يمكن لهوائي PCB أن يوفر توازنًا جيدًا بين التكلفة والبنية وأداء الترددات الراديوية.
1. تأكيد نطاق التردد
الخطوة الأولى هي تأكيد نطاق التردد التشغيلي. يجب أن يتطابق تصميم هوائي PCB مع الوحدة اللاسلكية ومعيار الاتصال.
تشمل نطاقات التردد الشائعة لهوائيات PCB ما يلي:
- 433MHz
- 868MHz
- 915MHz
- 2.4GHz
- 5GHz
- نطاقات GNSS
- نطاقات LTE أو النطاقات الخلوية في بعض التصاميم
عادةً ما تتطلب الهوائيات ذات الترددات المنخفضة مساحة فعلية أكبر بسبب أطوال الموجات الأطول. وقد يجعل ذلك تصميم هوائي PCB منخفض التردد أكثر صعوبة في الأجهزة المدمجة.
عادةً ما يكون دمج هوائي PCB بتردد 2.4GHz أسهل من دمج هوائي PCB بتردد 433MHz لأنه يتطلب طولًا فعليًا أقل.
2. تحقق من المساحة المتاحة على PCB
يعتمد أداء هوائي PCB اعتمادًا كبيرًا على المساحة المتاحة على اللوحة. ويحتاج الهوائي إلى طول فعلي كافٍ ومسافة فاصلة كافية عن المكونات الأخرى.
إذا كانت لوحة PCB صغيرة جدًا أو مزدحمة جدًا، فقد يعاني الهوائي من كفاءة منخفضة أو نطاق ترددي ضيق أو أداء غير مستقر. ويحدث ذلك بشكل خاص في الأجهزة اللاسلكية المدمجة حيث تشغل البطاريات والشاشات والمستشعرات والموصلات معظم المساحة الداخلية.
قبل اختيار هوائي PCB، يجب على المهندسين تقييم ما إذا كانت اللوحة توفّر مساحة كافية للهوائي.
3. تخصيص خلوص للهوائي
يُعد خلوص الهوائي أحد أهم العوامل في تصميم هوائي PCB. يجب عادةً إبقاء منطقة الهوائي بعيدة عن الأجزاء المعدنية، والنحاس الكثيف، والبطاريات، وأغطية التدريع، والشاشات، والدوائر عالية السرعة.
قد يؤدي الخلوص غير الكافي إلى:
- انخفاض كفاءة الهوائي
- استجابة ترددية منزاحة عن الضبط
- ارتفاع VSWR
- مدى لاسلكي أقصر
- اتصال غير مستقر
لهذا السبب، ينبغي مراعاة خلوص الهوائي في مرحلة مبكرة من تصميم المنتج. قد يؤدي الانتظار حتى اكتمال تخطيط PCB إلى جعل تحسين الهوائي أكثر صعوبة.
4. مراعاة مستوى الأرض
لمستوى الأرض تأثير قوي على أداء هوائي PCB. تستخدم العديد من هوائيات PCB مستوى الأرض كجزء من نظام الهوائي. يمكن أن يؤثر حجم مستوى الأرض وشكله وطريقة توصيله في المعاوقة وعرض النطاق والكسب ونمط الإشعاع.
غالبًا ما يمكن أن يساعد مستوى الأرض الأكبر والمصمم جيدًا في تحسين أداء الهوائي. قد يحد مستوى الأرض الصغير أو غير المنتظم من كفاءة الهوائي ويجعل الضبط أكثر صعوبة.
لهذا السبب ينبغي تقييم تصميم هوائي PCB مع تخطيط PCB بالكامل، وليس فقط مسار الهوائي.
5. تقييم الغلاف والمواد المجاورة
يمكن أن يغيّر غلاف الجهاز النهائي أداء الهوائي. قد تؤثر المواد البلاستيكية وسماكة الجدران والأجزاء المعدنية والبراغي والبطاريات والشاشات والكابلات جميعها في الهوائي.
إذا كان هوائي PCB قريبًا جدًا من المعدن، فقد تُحجب الإشارة أو تُمتص. وإذا كانت مادة الغلاف ذات فقدان مرتفع، فقد تنخفض كفاءة الهوائي أيضًا.
لهذا السبب، ينبغي إجراء اختبار هوائي PCB بعد تركيب الهوائي في بنية المنتج الفعلية، وليس فقط على لوحة اختبار مفتوحة.
6. فحص دائرة المطابقة وVSWR
تتطلب معظم هوائيات PCB دائرة مطابقة لتحسين مطابقة المعاوقة. تستخدم دائرة المطابقة عادةً مكونات مثل المكثفات والمحاثات لضبط الهوائي لنطاق التردد المستهدف.
يُستخدم VSWR عادةً للتحقق مما إذا كان الهوائي مطابقًا بشكل صحيح. وتعني قيمة VSWR الأقل عادةً انعكاسًا أقل للإشارة. ومع ذلك، فإن VSWR جزء واحد فقط من أداء الهوائي. وتُعد الكفاءة والكسب ونمط الإشعاع واختبار الاتصال الفعلي مهمة أيضًا.
7. هوائي PCB قياسي أم هوائي PCB مخصص؟
قد يكون التصميم المرجعي لهوائي PCB قياسي مفيدًا لبعض المنتجات. ومع ذلك، تتطلب العديد من الأجهزة الفعلية تصميم هوائي PCB مخصص لأن كل منتج يختلف في حجم اللوحة، والعلبة، ومستوى الأرض، وتخطيط المكونات، ومتطلبات التردد.
قد تحتاج إلى هوائي PCB مخصص عندما:
- تكون المساحة الداخلية للجهاز محدودة
- يكون تخطيط لوحة PCB مثبتًا بالفعل
- يكون مستوى الأرض صغيرًا أو غير منتظم
- يتطلب المنتج نطاق تردد خاصًا
- أداء الهوائي القياسي غير مستقر بعد التركيب
- يجب أن يدعم الهوائي نطاقات متعددة
- يحتاج المنتج إلى أداء مستقر قبل الحصول على الشهادات والإنتاج بكميات كبيرة
يمكن أن يساعد تصميم الهوائي المخصص في تحسين بنية الهوائي، ودائرة المطابقة، وموضعه، والأداء النهائي.
الأسئلة الشائعة
ما هو هوائي PCB؟
هوائي PCB هو هوائي مطبوع على لوحة دوائر باستخدام مسارات نحاسية لإرسال إشارات الترددات الراديوية واستقبالها.
هل هوائي PCB مناسب للأجهزة صغيرة الحجم؟
نعم، قد يكون هوائي PCB مناسبًا للأجهزة صغيرة الحجم، لكنه يتطلب مساحة كافية على اللوحة، ومستوى أرضي، ومسافة خلوص كافية.
هل يحتاج هوائي PCB إلى مستوى أرضي؟
تستخدم العديد من هوائيات PCB مستوى الأرضي كجزء من نظام الهوائي، لذلك يُعد تصميم مستوى الأرضي مهمًا جدًا.
هل يحتاج هوائي PCB إلى ضبط؟
نعم. تحتاج هوائيات PCB عادةً إلى ضبط بعد دمجها في المنتج النهائي لأن الغلاف وتخطيط PCB والمكونات القريبة قد تغيّر الأداء.
الخلاصة
يتطلب اختيار هوائي PCB تقييمًا دقيقًا لنطاق التردد، وحجم اللوحة، ومستوى الأرضي، ومسافة خلوص الهوائي، ومادة الغلاف، ودائرة المطابقة، وظروف التركيب النهائية.
إذا كان هوائي PCB القياسي لا يمكنه تلبية متطلباتك من حيث الحجم أو التردد أو الكفاءة أو VSWR أو بنية المنتج، فيمكن لفريق هندسة الترددات الراديوية لدينا مساعدتك في تطوير وضبط حل هوائي PCB مخصص من التصميم إلى الإنتاج.
