Cómo obtener un mejor rendimiento inalámbrico para dispositivos móviles con PCB pequeños

La demanda de dispositivos inalámbricos más pequeños está creciendo, para su uso en aplicaciones de consumo como dispositivos portátiles, dispositivos médicos y rastreadores, así como en aplicaciones industriales como iluminación, seguridad y gestión de edificios. De ello se deduce que los dispositivos electrónicos más pequeños requerirán PCB más pequeños, lo que significa que las antenas deben funcionar con planos de tierra más cortos, y si funcionan con baterías, la energía también es un factor, porque el dispositivo no debe consumir demasiada energía.

Esto presenta un gran desafío para el diseñador de productos. El diseño final deberá enviarse para la aprobación formal de la red y del gobierno antes de que el nuevo producto pueda usarse en las redes de los operadores, y es probable que el diseño falle si la antena no funciona correctamente o si el dispositivo crea interferencia de radio por re-irradia ruido desde el dispositivo. De ello se deduce que es aún más difícil obtener la aprobación del operador para un producto más pequeño, porque es más difícil lograr un rendimiento inalámbrico que sea lo suficientemente bueno como para pasar los niveles mínimos de transmisión y recepción. Esto es particularmente cierto en los EE. UU., Donde un diseño debe cumplir con criterios estrictos para obtener la aprobación de la red.

Es un hecho que para que las antenas eléctricamente pequeñas funcionen a frecuencias por debajo de 1 GHz, lo ideal es que necesiten longitudes de plano de tierra de 100 mm o más para lograr un buen rendimiento y eficiencia. Si la eficiencia de la antena disminuye, se producirán problemas con el consumo de energía y con el logro de la aprobación de la red para el producto terminado. Esto significa que el desafío para un diseñador de productos es crear un diseño en el que haya suficiente espacio para que la antena funcione correctamente y aún así encajar todos los componentes en una PCB más pequeña.

Esto es especialmente cierto para las antenas que funcionan a frecuencias inferiores a 1 GHz, que se utilizan normalmente para productos como dispositivos IoT, rastreadores de productos, dispositivos de fitness y otros dispositivos pequeños similares.

Los dispositivos portátiles y los dispositivos médicos que se utilizan cerca del cuerpo humano presentan un desafío especial. El cuerpo humano restringe las señales de RF, por lo que el diseñador debe considerar cómo irradiará la antena y asegurarse de colocar la antena de tal manera que el cuerpo humano no obstruya las señales.

Los dispositivos portátiles pueden ser tan pequeños como 50 mm o incluso menos. ¡Y algunos de ellos pueden usar más de una antena!

Hay varios factores que afectan el rendimiento de la antena en un dispositivo pequeño, y este artículo los abordará a su vez. El primero y más importante es el plano de tierra, que en muchos casos es fundamental para que la antena irradie. Pero esto no es todo, el diseñador debe colocar la antena correctamente y considerar los otros componentes y la posición de estos en relación con la antena, para asegurarse de que nada ruidoso o metálico se encuentre en el camino de la antena. Finalmente, la carcasa del dispositivo puede marcar la diferencia, y describiremos los principales materiales a evitar.

Antenas integradas:cómo funcionan

Una antena dipolo utiliza dos radiadores para funcionar, pero una antena de chip integrado solo tiene uno. Para una antena integrada, una superficie de la PCB se convierte en el segundo radiador. Esto explica por qué, si la longitud de la PCB es demasiado corta, la antena no funcionará de manera eficiente.

La resonancia de una antena está directamente relacionada con su longitud de onda. La antena debe resonar en múltiplos enteros o fracciones de la longitud de onda, siendo la longitud de resonancia más corta un cuarto de la longitud de onda.

Una antena de onda completa en la frecuencia de 916 MHz necesitaría tener aproximadamente 327 mm de largo, lo que no es práctico para una antena integrada, pero una versión de cuarto de onda es práctica con una longitud del plano de tierra de 87,2 mm. Esto se enrollará a través de las trazas y capas de cobre que están ocultas dentro de una pequeña antena de chip montada en la superficie.

Los diseñadores de antenas superan esta limitación utilizando el plano de tierra como la mitad faltante del dipolo de media onda, por lo que una antena monopolo de un cuarto de onda irradia contra el plano de tierra. Por lo tanto, las antenas integradas más populares en pequeños dispositivos inalámbricos tienden a ser antenas monopolo de cuarto de onda.

Longitud del plano de tierra

Para que una antena incorporada funcione de manera eficiente, el plano de tierra debe tener al menos un cuarto de longitud de onda de la antena en su frecuencia más baja. En consecuencia, en las frecuencias más bajas, el diseño será mucho más fácil cuando el plano de tierra sea de 100 mm o más.

El rendimiento de una antena integrada está directamente relacionado con la longitud de su plano de tierra, por lo que permitir que el plano de tierra tenga la longitud correcta es el mayor desafío para diseños más pequeños.

La Figura 1 muestra la compensación entre la longitud del plano de tierra y la eficiencia de la antena de 794 MHz a la izquierda a 2.69 GHz a la derecha.

Figura 1. (Fuente:Antenova Ltd)

Estos resultados muestran claramente cómo cae la eficiencia de la antena para pequeños planos de tierra a frecuencias por debajo de 1 GHz. Estos resultados se obtuvieron para una antena de chip 3G / 4G que funciona en las frecuencias 791-960MHz, 1710-2170MHz, 2300-1400MHz y 2500-2969MHz.

Generalmente, el plano de tierra debería ser de 100 mm o más para un dispositivo que utiliza frecuencias por debajo de 1 GHz. En los EE. UU., Las frecuencias 4G usan bandas tan bajas como 698MHz o incluso 617MHz como con la banda B71 de T Mobile que requiere un plano de tierra incluso mayor de 100 mm.

Colocación de la antena en su PCB

A continuación, debemos considerar la posición de la antena en la PCB y su ubicación en relación con otros componentes. La antena debe colocarse en la mejor posición en el diseño general de RF y la pila de PCB para permitir que se irradie de manera efectiva.

Cada antena individual está diseñada para funcionar de manera eficiente en algunos lugares de una PCB. Esta suele ser la esquina o un borde; sin embargo, cada antena es diferente, por lo que es importante seleccionar una antena que se ajuste al diseño y colocarla de acuerdo con las recomendaciones del fabricante para esa antena.

La Figura 2 muestra cómo se coloca la antena con su área de espacio libre en un dispositivo pequeño, como un producto portátil o un reloj.

Figura 2. (Fuente:Antenova Ltd)

La Figura 3 muestra una ubicación de antena adecuada para un diseño de reloj. El diseño mantiene el espacio libre recomendado especificado arriba y debajo de esta antena, que se muestra en rojo.

Figura 3. (Fuente:Antenova Ltd)

No coloque componentes ruidosos, como una batería o una pantalla LCD, cerca de la sección de la antena. Las antenas son componentes pasivos que reciben energía y captarán el ruido irradiado por los componentes ruidosos y transferirán ese ruido a la radio, degradando la señal recibida. La antena también debe colocarse lejos del cuerpo humano para mejorar el rendimiento de RF, esta es la distancia marcada en azul en la Figura 3 anterior.

La disposición de la alimentación de RF y las conexiones a tierra son fundamentales para el funcionamiento de la antena. Con antenas pequeñas integradas en PCB pequeñas, las pistas de cobre grabadas en la PCB pueden formar una parte integral de la antena, por lo que se debe tener cuidado de seguir las especificaciones del fabricante o el diseño de referencia.

Disposición general de RF y acumulación de PCB

Puede maximizar el rendimiento de la antena si considera cuidadosamente la disposición de los elementos de RF en el diseño. El plano de tierra de cobre no debe cortarse con trazos ni colocarse sobre más de una capa, entonces la parte del plano de tierra de la antena podrá irradiar de manera más efectiva.

Es esencial mantener los componentes como la pantalla LCD o las baterías fuera del área de la antena en el diseño de la PCB, ya que pueden interferir con la forma en que irradia la antena.

Para frecuencias multibanda, sugerimos un diseño de PCB con un mínimo de cuatro capas.

La Figura 4 muestra cómo las capas superior e inferior proporcionan planos de tierra, mientras que las señales digitales y la energía que deben estar alejadas del plano de tierra, se ejecutan en el espacio entre ellas.

Figura 4. (Fuente:Antenova Ltd)

Ajuste de la antena para mejorar el rendimiento

Para aquellos casos en los que el plano de tierra es más corto de lo ideal, un diseñador puede buscar otras técnicas para aumentar el rendimiento de una antena integrada.

Una forma es sintonizar la antena para su país de operación. El rango de frecuencia 4G es amplio, que va desde 698MHz a 2690MHz, pero cada región del mundo diferente usa solo una parte de esta banda, y una antena solo puede operar en una frecuencia a la vez. Esto significa que cuando un producto se va a utilizar en una región geográfica, se puede sintonizar para que funcione en una sección más estrecha de la banda de frecuencia. Esto mejorará el rendimiento de la antena.

Otra técnica es incluir una red de sintonización activa, efectivamente un circuito de conmutación de RF adicional, que ayudará a superar la reducción del ancho de banda causada por una tierra más pequeña donde la PCB del host es menor de 75 mm. Se agrega un circuito de adaptación PI cerca del punto de alimentación de la antena para ajustar la antena y mejorar el rendimiento. El diseño del circuito de adaptación generalmente necesitará la ayuda de un especialista en RF.

La Figura 5 muestra un circuito coincidente en una placa de evaluación de antena.

Figura 5. (Fuente:Antenova Ltd)

Diseño de la línea de transmisión

Una vez que se ha elegido el material para la PCB y se conocen su espesor y constante dieléctrica, se puede diseñar una línea de transmisión coplanar utilizando uno de los paquetes de software de diseño de trazas de RF disponibles comercialmente. Esto usará el grosor de la PCB, la separación de la capa de cobre y la constante dieléctrica del sustrato para calcular el ancho óptimo para la línea de transmisión y los espacios apropiados en cada lado para lograr una línea de transmisión coplanar de 50 Ω.

Todas las líneas de transmisión deben diseñarse para tener una impedancia característica de 50 Ω, y las otras partes del sistema de RF, como transceptores o amplificadores de potencia, también deben diseñarse con una impedancia de 50 Ω.

Antenova ofrece una herramienta de cálculo de línea de transmisión de RF gratuita para ayudar a los diseñadores a determinar el tamaño de la línea de transmisión.

Otros factores

Puede haber más de una antena, funcionando a diferentes frecuencias en el mismo PCB pero colocadas muy cerca. Si la antena es un sistema de solo recepción, como un receptor de GPS, podría ser detectada por una antena de transmisión cercana, como una radio 4G, lo que reduce la precisión del sistema de GPS. Se debe tener cuidado de separar estos sistemas de antenas ya sea por la distancia física entre las antenas, asegurándose de que las antenas sean ortogonales entre sí, o haciendo una muesca en el plano de tierra para eliminar las corrientes de tierra compartidas entre las antenas.

En los sistemas de múltiples entradas y múltiples salidas (MIMO), el diseño requerirá más de una antena, que debe colocarse una en relación con la otra para que puedan coexistir. Entonces se pueden combinar con las mismas frecuencias. Es imperativo que las antenas se coloquen para garantizar que el aislamiento y la correlación cruzada estén dentro de límites aceptables. Como se mencionó anteriormente, se debe tener cuidado de separar la antena en el dispositivo ya sea por la distancia física entre las antenas, asegurándose de que las antenas sean ortogonales entre sí o haciendo una muesca en el plano de tierra entre las antenas para eliminar las corrientes de tierra compartidas entre las antenas. antenas.

La Figura 6 muestra configuraciones de proximidad para diversidad.

Figura 6. (Fuente:Antenova Ltd)

La Figura 7 muestra configuraciones opuestas para la diversidad.

Figura 7. (Fuente:Antenova Ltd)

La carcasa exterior no debe contener metal cerca de la antena, pero ciertos revestimientos metalizados son aceptables porque no conducen la energía de manera eficaz. Los objetos metálicos cerca de la antena pueden hacer que la frecuencia de la antena cambie a una frecuencia más baja. También puede reducir la cantidad de ancho de banda para el que está diseñada la antena. Otro problema con los objetos metálicos cerca de la antena es que los objetos metálicos bloquean la señal en la dirección en la que se coloca el metal, lo que reduce el patrón de radiación general y posiblemente provoque que la señal se degrade lo suficiente como para perder la conexión con la estación base.

Conclusión

Si el diseño del producto va a incluir una antena, especialmente si está usando una placa de circuito impreso pequeña, recomendamos seleccionar primero la antena y colocarla primero en la placa de circuito impreso. Es más fácil hacerlo de esta manera en lugar de colocar una antena en un diseño que de otro modo estaría terminado. Pensar primero en la antena suele ser la forma más rápida de lograr un diseño en el que el elemento de RF funcione como debería.

Esto aumentará las posibilidades de obtener la aprobación de la red para el dispositivo. La antena debe funcionar de manera eficiente para obtener la aprobación y las reglas son estrictas. Sin embargo, AT&T hizo concesiones para dispositivos de menos de 107 mm y redujo el umbral de eficiencia para estos dispositivos más pequeños.