Cómo agregar una antena cambia el proceso de diseño

El ciclo de diseño es un poco diferente cuando el producto es inalámbrico y requiere una antena. Las antenas cambian el proceso de diseño, porque deben ubicarse con cuidado, en la mejor posición de la PCB, y es importante considerar su relación con algunos de los otros componentes del diseño.

Idealmente, el diseñador debería organizar los elementos de RF del diseño antes de considerar los otros componentes. En este artículo, analizamos las etapas adicionales que una antena agrega al ciclo de diseño, comenzando con la selección de la antena más adecuada.

Selección de antena

Las antenas integradas más populares son el grupo de dispositivos montados en superficie (SMD). Son populares principalmente por su uso eficiente del espacio de la placa, pero también porque pueden lograr un rendimiento excelente dentro de un dispositivo. Estas antenas son diminutas; pueden ser tan pequeños como 1 mm de ancho y se refluyen directamente sobre la PCB principal durante el proceso de ensamblaje de la placa. Generalmente, se fabrican a partir de sustratos laminados dieléctricos de alta calidad.

El diseñador también podría considerar el uso de un módulo de antena listo para usar. Estos contienen la antena en un paquete pequeño con otros componentes, listos para integrarse en el diseño. La principal ventaja de elegir un módulo de antena es el hecho de que se puede insertar en el diseño y el circuito de RF se proporciona listo para usar.

Las antenas de circuito impreso flexible (FPC) pueden ser una opción interesante cuando el diseño de los componentes del diseño está restringido en el espacio disponible en la placa o donde, por alguna razón, una antena SMD no encaja fácilmente. El FPC consta de una fina capa de cinta de cobertura de cobre con un cable integral y un conector UFL para unirlos a la placa de circuito. Es lo suficientemente delgado como para doblarlo ligeramente en una superficie curva y colocarlo en un espacio pequeño dentro del dispositivo, tal vez fijo dentro de la carcasa exterior del diseño. Los FPC son una buena opción donde el espacio es reducido y son populares en dispositivos portátiles pequeños.

Si el diseño del dispositivo contiene materiales que puedan comprometer el rendimiento, el diseñador puede elegir una antena externa (Figura 1). Las antenas integradas tienden a no lograr un rendimiento sólido cerca de los componentes metálicos, por lo que si se incorporan características metálicas grandes en el diseño, una antena montada en un terminal o en una caja colocada en el exterior del dispositivo puede proporcionar el mejor rendimiento.

Figura 1. Las opciones de antena externa incluyen (de izquierda a derecha) una antena SMD, una antena FPC o antenas terminales. Fuente:Antenova

Estas antenas están fabricadas con su propio material aislante para aislar la señal de RF, y si hay piezas metálicas cerca, seguirán funcionando con pérdidas mínimas. Las antenas montadas en caja liberan espacio para otros componentes en la PCB y, como no son tan sensibles a las otras partes del diseño, son más fáciles de integrar.

Ubicación de la antena

De todos los componentes de un diseño inalámbrico típico, la antena es probablemente el más sensible a su posición. Por lo tanto, se recomienda que la ubicación de la antena se decida desde el principio.

La antena SMD está soldada directamente al PCB anfitrión y la posición de la antena tiene implicaciones para su rendimiento de RF. La antena irradiará en seis direcciones a lo largo de un eje, generalmente a lo largo de la antena. Esto significa que para funcionar bien, debe tener tantas direcciones como sea posible libres de obstrucciones reflectantes y absorbentes. Por esta razón, las antenas a menudo se colocan en la esquina de la PCB o están diseñadas para usarse en uno de los bordes de la PCB. Los fabricantes diseñan sus antenas para operar en diferentes posiciones, y la hoja de datos de cada antena especificará exactamente cómo irradia la antena y cómo colocarla en el PCB anfitrión para optimizar el rendimiento.

Figura 2. Se coloca una antena SMD en el borde largo de una PCB. Fuente:Antenova

Hay ciertos componentes que deben colocarse lo más lejos posible de la antena, ya que crean ruido y es probable que causen impedancia en el rendimiento irradiado de la antena. Los principales culpables de causar interferencias son los motores, las baterías y cualquier componente con alto contenido metálico, como las pantallas LCD.

Por último, la carcasa exterior del dispositivo también puede provocar interrupciones en los campos radiados de la antena. Si el dispositivo tiene una cubierta de plástico, tenga cuidado, porque el plástico tiene una constante dieléctrica más alta que el aire y probablemente puede desafinar la frecuencia de resonancia de la antena.

Planos de tierra y diseño de placas para RF

Las antenas SMD normalmente requieren un plano de tierra para irradiar. En un diseño integrado, el plano de tierra es una sección de la PCB que proporciona una superficie plana contigua para que la señal de RF se mueva alternativamente. El plano de tierra debe tener una cierta longitud, que está relacionada con la longitud de onda más larga de la antena. Por lo tanto, es fundamental proporcionar la cantidad correcta de espacio para el plano de tierra en la PCB, ya que esto permitirá que la antena irradie de manera eficiente.

Nuevamente, se explicará en la hoja de datos del fabricante de la antena. A veces, el plano de tierra está debajo de la antena y, a veces, está adyacente a ella; esto variará de una antena a otra y será un factor en la elección de la antena SMD.

Además de requerir un plano de tierra, las antenas a menudo requieren un cierto espacio a su alrededor para estar libres de cualquier otro componente, un área de exclusión. Los requisitos de exclusión para cada antena también son únicos para cada antena individual, y estas áreas deberán mantenerse alejadas de otros componentes, posiblemente a través de varias capas, si no toda la placa debajo de la antena.

El rendimiento de RF del dispositivo será mejor si las líneas de seguimiento de RF se mantienen lo más cortas posible desde la radio hasta la antena. Esto se debe a que las líneas de transmisión más largas son más propensas a reflejos y pérdidas de energía de la señal en la traza de cobre, lo que puede degradar el rendimiento general irradiado del dispositivo. Por lo tanto, recomendamos que los elementos de RF del diseño se coloquen lo más cerca posible de la antena.

Algunos diseños se beneficiarán de un circuito de coincidencia de elementos agrupados, como un circuito de coincidencia de Pi, dentro del circuito de RF para sintonizar la antena y mejorar el ancho de banda de trabajo.

Figura 3. Un diseño de antena con un circuito de sintonización activo puede superar la reducción del ancho de banda que se ve con un plano de tierra más pequeño. Fuente:Antenova

Revisión de Gerber y pruebas de RF

Antes de finalizar el diseño, una revisión del diseño del archivo Gerber proporciona una buena verificación de los circuitos de RF y las líneas de transmisión en la acumulación de capas del diseño de la PCB y señalará las áreas que no sean del todo correctas. La revisión de Gerber verifica que la antena, el módulo, las líneas de transmisión, las vías y los materiales de PCB estén optimizados para un buen rendimiento de RF. Algunas empresas de diseño de antenas cobran por las revisiones de Gerber, mientras que otras las ofrecen de forma gratuita, o puede utilizar un paquete de diseño de software para este propósito.

La próxima prueba será medir qué tan bien funciona la antena en su PCB. Esto se realiza en una cámara anecoica. Sin embargo, la antena puede funcionar bien en las perfectas condiciones de la cámara, y luego comportarse de manera diferente en su aplicación final, donde las personas y los objetos del entorno podrían afectar la forma en que irradia la antena. Por lo tanto, con un diseño para un dispositivo portátil o un dispositivo médico para usar cerca del cuerpo humano, la antena debe sintonizarse y probarse con una cabeza fantasma o una mano fantasma en la cámara anecoica.

Algunas pruebas más pueden evaluar qué tan bien funcionará el diseño en la vida real:pruebas pasivas, pruebas por aire (OTA) y radar de apertura sintética (SAR). Los resultados se medirán en cuanto a eficiencia, emisiones no esenciales, potencia radiada total y sensibilidad isotrópica total.

Es fundamental probar el diseño para asegurarse de que el dispositivo funcionará correctamente en el uso diario y no generará emisiones ni interferencias. Estas pruebas son críticas cuando el diseño requiere la aprobación de la red del operador y es habitual utilizar un servicio de pruebas de RF especializado.

Finalmente, cada diseño de las redes celulares debe estar certificado por el operador de la red móvil para obtener la aprobación para ser utilizado en su red.

>> Este artículo se publicó originalmente el nuestro sitio hermano, EDN.

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Geoff Schulteis es un especialista en aplicaciones de antenas de RF y dirige el soporte técnico para los diseños de clientes de Antenova en América del Norte.

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