Cómo colocar dos o más antenas en un diseño

Diseñar una PCB con más de una antena no es sencillo . Este artículo destaca algunos de los factores que afectan el comportamiento de las antenas y sus señales de RF y que deben tenerse en cuenta en el diseño de la PCB.

Colocar una antena en un diseño siempre necesita cuidado, pero cuando hay dos o más antenas en el diseño, es aún más importante comprender cómo irradian las antenas, cómo funcionarán juntas y cómo sus posiciones relativas afectarán la señal.

Generalmente, las antenas SMD están diseñadas para coexistir cerca de otros componentes, siempre que se sigan algunas reglas básicas.

El consejo es mantener las antenas alejadas de otros componentes ruidosos y permitir un plano de tierra debajo de la antena, para permitir que irradie de manera efectiva. Es importante mantener despejado el espacio debajo de la antena en toda la pila de PCB.

Para diseñar un dispositivo con varias antenas diferentes en el interior, querrá saber cómo coexistirán y funcionarán múltiples antenas en un único sistema en la PCB. El requisito de que varios sistemas de radio funcionen con antenas muy próximas entre sí se denomina "coexistencia en el dispositivo".

En algunos casos, se utilizan dos antenas para trabajar juntas en la misma frecuencia en una configuración de diversidad, lo que proporcionará una transmisión más fuerte que una sola antena. En otros casos, un dispositivo necesita más de una conexión inalámbrica que opere en diferentes frecuencias y el diseño debe permitir cierta separación entre ellas, para permitirles operar de forma independiente en "coexistencia".

Con un buen diseño, puede lograr un alto rendimiento y confiabilidad para todas las antenas de la placa. El objetivo del diseñador es colocar las antenas de manera que se logre el aislamiento entre todas las antenas y permita que todas funcionen juntas correctamente.

Patrones de radiación

Cada antena tiene su propio patrón de radiación, que se mostrará en la hoja de datos del fabricante, ya que la antena irradiaría en perfectas condiciones, por ejemplo, en una cámara anecoica.

Los patrones de radiación generalmente se muestran como un patrón 3D y como una sección transversal bidimensional de ese patrón. La antena irradiará alrededor de un eje que corre a lo largo de la antena, y la energía eléctrica de la antena se refleja con más fuerza en una dirección que es perpendicular a ese eje. Esta es la polarización de la antena.

El patrón de radiación de una antena se mide normalmente en el centro de la banda de frecuencia donde se utilizará la antena.

Figura 1. Patrón de antena 3D para una antena LTE a 1990 MHz. (Fuente:Antenova)

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Figura 2. Patrón de antena para la misma antena LTE a 1990 MHz, sección transversal. (Fuente:Antenova)

Pares de diversidad

La diversidad es una técnica de antena en la que dos antenas se utilizan juntas en la misma frecuencia para crear una conexión inalámbrica más confiable. Es una gran solución para dispositivos móviles inalámbricos que se mueven en el espacio libre, ya que es más probable que las dos antenas que trabajan juntas en tándem proporcionen un enlace confiable a medida que el dispositivo se mueve.

Con diversidad, la primera antena es la antena principal y la segunda antena es la antena de diversidad. Las dos antenas pueden compartir el mismo plano de tierra y están ubicadas en diferentes zonas espaciales, esto reduce el "acoplamiento", un fenómeno en el que las dos antenas reflejan señales similares.

En una configuración de diversidad, ambas antenas transmiten simultáneamente, pero apuntando en diferentes direcciones. El receptor tomará la más fuerte de las dos señales, lo que mejorará la confiabilidad de la señal recibida. El par de antenas se puede colocar en las esquinas opuestas o en lados opuestos de la PCB.

Cuando las antenas se utilizan en una configuración de diversidad, se colocan para reducir el acoplamiento, es decir, las dos antenas se colocan de modo que sus patrones de radiación sean completamente diferentes entre sí.

Polarización

La polarización de una antena es paralela al eje largo de la antena, y la antena irradia su energía en perpendicular a este eje, con zonas de potencia nula en cada extremo de la antena.

Para obtener la mejor correlación cruzada, el par de antenas de diversidad debe colocarse con polarización cruzada, polarización diferente en el espacio y en polaridad. El receptor tomará la señal más fuerte de una u otra de las antenas. Esto logra una recepción más fuerte que la que se puede lograr con una sola antena. En la práctica, esto generalmente significa que las dos antenas se colocarán a 90 ° entre sí, lo que logra una polarización diferente y envía señales más confiables al receptor a medida que los dispositivos se mueven.

Reducir los efectos de acoplamiento

El acoplamiento de antena a antena es algo natural en un dispositivo compacto. Esto disminuye el patrón de radiación y aumenta la interferencia entre canales que sufre cada antena. También altera las características de entrada de la antena. Puede minimizar los efectos de acoplamiento grabando vía en el plano del suelo.

Distancia entre antenas

La distancia entre las dos antenas de diversidad debe ser de al menos un cuarto de longitud de onda y la distancia entre ellas afectará la señal.

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Figura 3:Ejemplo:el diagrama muestra el aislamiento frente a la distancia de la antena principal a la antena de diversidad. Se muestran 40 mm, 25 mm y 20 mm a modo de comparación. Este ejemplo muestra la antena Integra SR4L049 de Antenova. (Fuente:Antenova)

Aislar antenas a diferentes frecuencias

Las antenas que operan en diferentes frecuencias deben colocarse de manera que no interfieran entre sí. En términos de antena, deben estar eléctricamente aislados entre sí. El objetivo es colocar cada antena de manera que logre un alto rendimiento, sin embargo, el aislamiento puede reducir la potencia de radiación de la antena. El valor de aislamiento se mide como el coeficiente S21, con un analizador de red.

Hay varias formas de mejorar el aislamiento entre las antenas. Simplemente colocando las antenas más separadas, teniendo en cuenta sus patrones de radiación, creará cierta separación, lo que ayudará.

Colocar las antenas de manera que haya aislamiento entre cada par de antenas les ayudará a irradiar de forma independiente, pero con cierta reducción en la potencia de transmisión de cada una.

La siguiente opción es usar un filtro para reducir la eficiencia de una antena en la frecuencia que requiere la antena opuesta.

Figura 4. La dirección del haz es una técnica de antena para mejorar el aislamiento y la correlación cruzada en aplicaciones de diversidad. (Fuente:Antenova)

ECC (coeficiente de correlación de sobres)

Para verificar la capacidad de aislamiento de un sistema de antena MIMO, el ECC es un criterio de rendimiento importante en los sistemas de antena MIMO para estudiar. El ECC se puede calcular en función de los parámetros S o las características de campo lejano del sistema de antena. El ECC basado en parámetros de campo lejano considera la dirección del haz irradiado de cada antena en el sistema de antena MIMO, mientras que el ECC basado en parámetros S considera las características del puerto de las dos antenas.

La ECC basada en las propiedades de campo lejano se considera más precisa en un análisis de aislamiento, aunque es más difícil debido a la necesidad de medir los patrones de radiación de la antena. Un valor ECC inferior a 0,5 generalmente se considera aceptable para un sistema de antena MIMO.

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Pérdida radiada vs. de retorno
Figura 5:La imagen muestra las gráficas de radiación para dos antenas en paralelo y en ángulo recto, y cómo la segunda configuración muestra una señal más consistente. (Fuente:Antenova)

Conclusión

Muchos dispositivos móviles utilizan múltiples conexiones inalámbricas. Podrían ser cualquier combinación de antenas de posicionamiento 4G / LTE, MIMO / WLAN, Bluetooth o GNSS, y puede haber fácilmente cinco o seis antenas dentro de un diseño, por ejemplo, antenas de diversidad para LTE / 4G para proporcionar el enlace celular, un Wi- Antena Fi para Bluetooth y antena GNSS para posicionamiento. En este caso, el objetivo es que todas las antenas funcionen una al lado de la otra, pero sin interferir entre sí, en el entorno de múltiples sistemas. Si no se considera la coexistencia, es muy posible que una señal LTE / 4G fuerte bloquee la señal de una antena más pequeña, como una pequeña antena Wi-Fi.

Diseñar una placa de circuito impreso con más de una antena no es sencillo. Este artículo destaca algunos de los factores que afectan el comportamiento de las antenas y sus señales de RF y que deben tenerse en cuenta en el diseño de la PCB. Para asegurarse de que todos los componentes funcionen correctamente juntos, la PCB debe enviarse para una prueba por aire en una cámara anecoica. Destacará cualquier modificación que sea necesaria para el diseño y mostrará cómo las antenas se comportan juntas y predecirá el rendimiento del dispositivo en el mundo real.

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Geoff Schulteis es ingeniero senior de aplicaciones de antenas en Antenova Ltd. Geoff tiene más de 20 años de experiencia en el diseño, integración y prueba de antenas, y actualmente dirige el soporte técnico para los clientes de Antenova en Norteamérica. Es un profesional de la ingeniería de antenas con más de 20 años de experiencia en el diseño, integración y prueba de sistemas de antenas para productos de consumo, desde I + D hasta fabricación y despliegue comercial.

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