Los dispositivos compactos de baja potencia siempre han gozado de preferencia, en especial en los campos de la automoción y los dispositivos portátiles inteligentes, debido a la demanda de los consumidores de funcionalidades high-tech en un paquete.
Además, la compatibilidad de red de las antenas del PCB con su alta resistencia las convierte en sólidamente conectivas y duraderas, por lo que se integran en la mayoría de los dispositivos electrónicos de consumo.
Las antenas de PCB, que son operativas a alta frecuencia, permiten a los dispositivos comunicarse a larga distancia mediante la transducción de señales eléctricas en ondas electromagnéticas. La principal ventaja de las antenas de PCB es que reducen la huella física y el coste de mantenimiento del dispositivo. El tamaño de una antena debe ser compacto y pequeño y, a fin de aumentar la eficiencia, se unen varios parches de microstrip para obtener la ganancia deseada a partir del reducido tamaño. La medida de los parches depende directamente de la longitud de onda de la frecuencia operativa.
Las antenas de PCB tienen diversas formas y tamaños,y su diseño es un aspecto crucial, dadas sus múltiples aplicaciones. Las técnicas de diseño de una antena de PCB cuentan con muchos parámetros que deben tenerse en cuenta.
Existen varios tipos de antenas de PCB:
El diseño de la antena desempeña un papel esencial a la hora de conseguir una comunicación eficaz del transceptor de baja potencia y corto alcance en varios sistemas. La longitud de onda de la frecuencia operativa objetivo se utiliza para determinar el tamaño del parche durante el proceso de diseño.
Ecuación 1: Cálculo de la anchura y la longitud
En la ecuación anterior, W es la anchura de la antena de parche microstrip, L es la longitud de la antena de parche microstrip y ЄR es la constante dieléctrica. Para el diseño de las dimensiones de una antena de parche microstrip, si la frecuencia y la constante dieléctrica del material utilizado se conocen, el cálculo puede efectuarse mediante la fórmula anterior. En el caso de que no se conozca la constante dieléctrica del material, los diseñadores deben optar por introducir la velocidad de propagación de la señal en su lugar.
Fig. 1 - Dimensiones del sustrato
Fuente Emtalk
El primer paso antes del cálculo de los parámetros de la antena consiste en seleccionar el material del sustrato y la longitud y anchura del material requerido junto con la frecuencia operativa de la antena. El PCB debe fabricarse con material FR4 debido a su alta resistencia dieléctrica y su permeabilidad relativa de 4,4.
Ecuación 2: Altura del sustrato
La ecuación anterior se emplea para determinar la altura del sustrato, donde hs es la altura del mismo, f es la frecuencia (GHz), c es la velocidad (m/s) y Є es la constante dieléctrica del sustrato. La altura del sustrato es uno de los aspectos cruciales a la hora de ampliar una antena. La altura del sustrato seleccionado permanece constante durante todo el proceso de diseño. Con respecto a materiales como FR4, vidrio epoxídico, baquelita, etc., la altura se mantiene en 1,5 mm.
Ecuación 3: Anchura de la traza
La ecuación anterior se utiliza para determinar la anchura de la traza, representada por w. Las trazas de señal, de potencia y de impedancia deben diseñarse y calcularse minuciosamente, ya que una anchura inadecuada de traza puede provocar mayores reflexiones de la señal. La anchura mínima de la traza debe ser de 6 mil o 0,152 mm y para mayores tolerancias, la anchura de la traza se mantendrá en 10-12.000 o en 0,254-0,3 mm.
Ecuación 4: Longitud de la traza
La ecuación anterior se utiliza para determinar la longitud de la traza, donde L es la longitud de la traza, Σff es la permitividad efectiva y ΔL es la longitud física. La resistencia de la traza aumenta a medida que se incrementa la longitud de la traza o esta se hace más estrecha. Por consiguiente, las trazas que transportan corrientes más altas deben mantenerse lo más cortas posible.
Ecuación 5: Ratio anchura / profundidad
La ecuación anterior se emplea para determinar la ratio entre la anchura y la profundidad de los microstrips, donde d es la anchura de la traza, w es la anchura del sustrato y A es el área efectiva. La ratio anchura/profundidad ideal del microstrip para un material FR4 de 50 ohmios es de aproximadamente 2:1.
Las antenas son muy sensibles al entorno circundante, y por tanto, cuando se integra una antena en un PCB, el diseño y la disposición deben considerarse en función de los requisitos, ya que ello puede tener un enorme impacto en el rendimiento del dispositivo inalámbrico. Incluso minúsculos detalles como el material, el recuento de capas, el grosor de las capas, etc. pueden afectar al rendimiento de la antena.
A la hora de acometer el diseño de una antena de PCB, existen varios pasos que deben comprenderse: Algunos de ellos son los siguientes:
Las antenas tienen diferentes modos de funcionamiento y, dependiendo del nivel de radiación de una antena, esta debe colocarse en ciertas posiciones concretas. Por ejemplo, en el lado corto del PCB, el lado largo del PCB, o en la esquina del PCB. Lo ideal es que la esquina del PCB es uno de los lugares óptimos para colocar una antena. Esto se debe a que la posición esquinera del PCB permite a la antena disponer de holgura hasta en cinco direcciones espaciales y la alimentación de la antena recae en la sexta dirección. Existen diversos diseños de antenas que se adaptan mejor a diferentes posiciones, por lo que los diseñadores de PCB pueden seleccionar la antena según su aplicación y disposición.
Fig. 2 - Espaciado omnidireccional de una antena
Fuente Mwrf
2. Área de distanciamiento
Los diseñadores deben asegurarse estrictamente de que los componentes no se coloquen en el campo que rodea directamente la antena, ya que de este modo se pueden producir interferencias de la señal, lo que afectará al rendimiento del circuito. También debería garantizarse que el área alrededor de la antena esté alejada de objetos metálicos, incluidos los tornillos de montaje.
Fig. 3 - Área de distanciamiento
Fuente - Proto-Electronics
La antena irradia contra un plano de tierra, que está asociado a la frecuencia en la que opera la antena. Así, es imprescindible proporcionar el tamaño y la separación adecuados al plano de tierra de la antena.
3. Planos de tierra
El tamaño del plano de tierra en un PCB es un factor importante a considerar, ya que cualquier cable utilizado para la comunicación con varios dispositivos y baterías que proporcionen potencial al dispositivo pueden alterarse si no se diseñan correctamente. Los diseñadores tienen que asegurarse de que los planos de tierra se dimensionen correctamente, ya que así los cables y baterías conectados al dispositivo tendrán menores efectos sobre la antena.
Fig 4 - Plano de tierra
Fuente Mwrf
Determinadas antenas de PCB dependen del plano de tierra, lo que significa que el PCB en sí se convierte en la sección de tierra de la antena para operar a fin de equilibrar las corrientes de la antena y las capas inferiores del PCB, lo que puede influir en el rendimiento de la antena. En tales casos, los diseñadores deben asegurarse de que no se coloque ninguna batería cerca de la antena.
4. Proximidad a otros componentes del PCB
Durante el diseño, es crucial mantener la antena integrada a una distancia lo suficientemente alejada de otros componentes del circuito que puedan interferir con la radiación de la antena. La distancia entre la antena y otros componentes varía en función de la altura y la anchura del componente. Componentes como baterías y LCD, varios conectores, como los cables USB, HDMI, Ethernet, etc., tienen velocidades de conmutación elevadas que incrementan las posibilidades de interferencia de la señal durante el funcionamiento del dispositivo.
Fig. 5 - Proximidad de los componentes del PCB
Por ejemplo, si se traza una línea con un ángulo de ocho grados desde la base de la antena, lo ideal es que el componente se encuentre a una distancia segura si se coloca por debajo de esta línea, como se muestra en la Fig. 4. Si otras antenas operan en un área cercana con rangos de frecuencia similares, podrían producirse efectos de desintonización entre las antenas al influir en la radiación mutua. Para evitarlo, las antenas deben aislarse al menos -10dB para 1GHz y -20dB para 20 GHz. Esto puede conseguirse aumentando la distancia entre las antenas o bien girándolas de manera que se sitúen a 90 o 180 grados de distancia entre sí.
5. Diseño de la línea de transmisión
La traza de RF que transporta la energía de radiofrecuencia en las antenas de PCB que suministran la señal a la recepción es la línea de transmisión de una antena. La línea de transmisión debe diseñarse a 50 Ω o puede existir la posibilidad de que refleje las señales de vuelta a la recepción y cause una degradación de la ratio señal/ruido (SNR), lo que podría provocar una falta de sensibilidad en el receptor de radio.
La traza de RF que transporta la energía de radiofrecuencia en las antenas de PCB para proporcionar la señal a la recepción se denomina línea de transmisión.
Fig. 6 - Diseño de la línea de transmisión
Fuente Mwrf
El diseño de la línea de transmisión debe realizarse con sumo cuidado. En primer lugar, la línea de transmisión debe ser recta, ya que si existen esquinas o curvas en la línea, aumentarán las posibilidades de pérdidas. A fin de minimizar el ruido y las pérdidas de señal en el rendimiento de la antena, las vías deben colocarse uniformemente en ambos lados de la traza, ya que ayudan a aumentar el rendimiento aislando el ruido que viaja en las trazas cercanas, como se muestra en la Fig. 6.
Deben utilizarse componentes de adaptación de RF y la anchura de las líneas de transmisión al sintonizar la antena para operaciones con una impedancia característica de 50 Ω. Las dimensiones de la línea de transmisión pueden afectar drásticamente al rendimiento de la señal, ya que las líneas de transmisión más delgadas pueden ser más vulnerables a las pérdidas. Por otro lado, las líneas de transmisión deben ser lo más cortas posible para permitir a la antena transmitir mejor la señal a una velocidad más rápida con pérdidas mínimas.
Fig. 7 - Logro de mejores salidas
Fuente Istockphoto
Aparte del diseño, existen varios métodos para mejorar la eficiencia y obtener mejores resultados en la salida de las antenas de PCB. Algunos de ellos son los siguientes:
El diseño de una antena de PCB es un proceso intrincado, ya que existen varios factores que pueden afectar al rendimiento de una antena. El paso inicial antes de diseñar una antena es seleccionar un material (preferiblemente FR4) con dimensiones precisas. Las trazas del PCB también juegan un papel importante, ya que las líneas de transmisión transportan señales de RF por estas trazas. La anchura de las trazas debe diseñarse minuciosamente, ya que una anchura inadecuada de estas trazas puede causar problemas como una mayor reflexión de la señal. En cuanto a la longitud de las trazas, la resistencia de estas aumenta cuanto más se alargan. Por consiguiente, lo ideal es diseñar trazas que transporten corrientes más altas lo más cortas posible.
En el diseño de una antena de PCB, el posicionamiento del PCB debe realizarse de manera que la antena tenga un mayor espacio libre para la radiación. Los diseñadores deben ser cuidadosos a la hora de proceder a la colocación de componentes cerca del área del campo de la antena, puesto que con ello se incrementa la interferencia de la señal.
Asimismo, componentes como LCD, cables HDMI, cables USB, etc. deben mantenerse bien alejados de otros componentes del circuito, dado que tienen una mayor velocidad de conmutación que aumenta las posibilidades de interferencia de la señal. El diseño de los planos de tierra debe dimensionarse adecuadamente, ya que las distintas conexiones que se realizan a la antena directamente desde los cables hasta baterías repercuten negativamente en las corrientes y las capas inferiores del PCB. Las líneas de transmisión deben diseñarse a 50 Ω para evitar la degradación de la señal y también deberían ser rectas, sin curvas ni esquinas.
24.05.2022