El mundo ha ido evolucionando lenta pero progresivamente hacia la tecnología inalámbrica. Actualmente, la mayoría de los dispositivos electrónicos dependen en gran medida de la tecnología inalámbrica. Fíjese en sus smartphones, portátiles, almohadillas, etc. Un elemento clave que permite la transmisión y recepción de radiación electromagnética en un espacio sin restricciones es la placa de circuito impreso de antena. ¿Qué implica? ¿Cómo funciona?
La antena PCB es el tipo de antena más común en una pcb. Se imprime en la placa con tinta de cobre y tiene una conexión eléctrica con otro componente electrónico, como un conector o una resistencia, desde donde puede transmitir o recibir ondas electromagnéticas. La antena PCB es un dispositivo inalámbrico encargado de transmitir y recibir señales. Tiene diversas aplicaciones, aunque principalmente en el sector de las telecomunicaciones. La aparición y quizás el dominio del sector de las telecomunicaciones por la tecnología 5G en un futuro inmediato eleva la importancia de una placa de circuito impreso de antena. Cada vez más dispositivos electrónicos necesitarán placas de circuitos impresos con antena para comunicarse como IoT.
Por lo tanto, comprender cada aspecto crucial de la PCB de antena, especialmente la antena LPWAN (Low Power Wide Area Network) o LoRa PCB, se hace necesario como diseñador de electrónica.
Diseño de una antena PCB
Los componentes principales de un sistema inalámbrico implican un diseño de RF y un diseño de PCB de antena. Ambos son cruciales a la hora de diseñar un producto electrónico inalámbrico. Esto se debe a que el diseño de la antena, la disposición de la placa de circuito impreso y la carcasa influyen en el alcance inalámbrico del producto de radiofrecuencia una vez instalado. Recuerde que los productos de radiofrecuencia utilizan pilas de botón, algo que se optimiza con un diseño adecuado.
Los factores importantes a tener en cuenta en el proceso de diseño son numerosos. Entre ellos se incluye la comprensión de la imposibilidad de obtener una gran disparidad de rangos de RF que desplieguen la misma potencia y elementos de diseño de silicio pero con un diseño de antena y una práctica de disposición diferentes. Otros aspectos vitales de la disposición que hay que comprender son los orificios de las vías de trazado de RF, la conexión a tierra y la antena, el desacoplamiento de la fuente de alimentación y el apilamiento de la PCB.
Una antena bien diseñada optimiza la distancia de funcionamiento del producto. La capacidad de transmitir más potencia aumenta la distancia recorrida por el PER o tasa de error de paquetes y la sensibilidad del receptor. Asimismo, una radio correctamente sintonizada puede reaccionar con poca radiación de antena, especialmente en el lado del receptor.
Fundamentos de la antena
Una antena representa un conductor expuesto. Los conductores se convierten en antena siempre que alcanzan una determinada relación o se convierten en un múltiplo de la longitud de onda de una señal. Esta condición se conoce como resonancia, ya que la energía eléctrica alimentada por la antena se irradia al espacio.
La geometría de la antena posee dos aspectos vitales en la alimentación de la antena y la longitud de la antena. En las placas de circuito impreso, la antena (un conductor de un cuarto de longitud) consigue un rendimiento similar al de una antena dipolo. Funciona teniendo una masa situada a cierta distancia por debajo del conductor para crear una imagen de longitud similar (un cuarto). En combinación, estas patas funcionan como antenas dipolo y se denominan monopolos de un cuarto de onda.
Por tanto, es importante tener en cuenta lo siguiente a la hora de desarrollar un diseño de antena PCB o de antena de cuarto de onda. Tenga en cuenta la alimentación de la antena, la longitud de la antena, los tipos de antena y el tamaño y la forma de la trayectoria de retorno y el plano de tierra.
Categorías de antena
Existen tres categorías principales de tipos de antena e incluyen la antena de cable, la antena PCB y la antena de chip.
- Wire Antenas. Se trata de un cable que se extiende desde la placa de circuito impreso hasta el espacio libre. Sin embargo, su longitud coincide con una designación de un cuarto de longitud sobre el plano de tierra y se alimenta utilizando una línea de transmisión de 50-Ω cuatro. Proporciona el mejor alcance y rendimiento de RF debido a su exposición tridimensional y dimensiones atribuibles. El cable puede resultar un bucle, una recta o una hélice.
- PCB Antena. También conocida como antena de traza PCB, consiste en un dibujo de traza en la placa de circuito impreso. Puede implicar diferentes formas de trazas, incluyendo una traza serpenteante, traza recta, traza circular, traza de tipo F invertida, o una curva ondulada basada en las limitaciones de espacio y tipo de antena. Las antenas en placas de circuito impreso se convierten en estructuras bidimensionales en un plano de PCB similar. Sin embargo, es necesario seguir unas directrices particulares a la hora de llevar una antena 3D y convertirla en una traza 2D de PCB.
- Las antenas de placa de circuito impreso necesitan más espacio en la placa, son más baratas y poseen una eficiencia menor en comparación con las antenas de hilo. ¿Y qué más? Posee un alcance inalámbrico aceptable para aplicaciones BLE además de ser fácilmente fabricable.
- Chip Antena. Se presenta como un circuito integrado de factor de forma diminuto que posee un conductor. Suele ser útil cuando no se dispone de espacio suficiente para la impresión de la antena en PCB o en el soporte de antenas de hilo 3D.
Por lo tanto, antes de embarcarse en el proceso de diseño de la antena PCB, es importante tener en cuenta las tres diversas categorías de antenas, los fundamentos y los diferentes tipos dentro de cada clase de antena.
Simplificar el diseño de la antena
La mayoría de los diseños de antenas acaban resultando complejos. Surge de la necesidad de disponer de antenas que realicen más aplicaciones pero consuman menos energía, especialmente sus homólogas de antena parabólica mecánica. La necesidad de transferir numerosos flujos de datos, reubicar rápidamente nuevos usuarios y amenazas y prolongar la vida útil de la antena a bajo coste también contribuyen a este escenario.
Una excelente solución a este respecto ha girado en torno a los diseños de antenas en fase. Sin embargo, presenta deficiencias que se solucionan con semiconductores avanzados. Además de reducir su consumo de energía, la tecnología de semiconductores avanzados desempeña un papel fundamental en la miniaturización (peso y tamaño).
La necesidad de seguir simplificando los diseños de estas antenas aumenta día a día. Sin embargo, la forma de hacerlo parece ser siempre un escollo. En esta sección se detalla cómo la tecnología phased array centrada en el CI beamforming puede simplificar los diseños de antenas.
Tecnología phased array
La antena phased array se presenta como una colección de elementos de antena ensamblados que presentan una combinación del diagrama de radiación de cada elemento con una antena adyacente, que desemboca en el lóbulo principal. El lóbulo principal irradia energía en un punto preferente, aunque, dependiendo del diseño de la antena, se encargará de interferir destructivamente las señales procedentes de la dirección no deseada. En consecuencia, esto conduce a la formación de lóbulos laterales y señales ineficaces.
Atributos de diseño
El diseño del conjunto de antenas tiene como objetivo maximizar la energía que emana del lóbulo principal y limitar la de los lóbulos laterales a niveles satisfactorios. La manipulación de la dirección de radiación es posible mediante la variación de la fase de la señal introducida en cada elemento de la antena. Una antena en fase también permite una mejor comprensión de las propiedades de orientación del haz, ya que carece de piezas mecánicas móviles.
El ajuste de fase del semiconductor basado en CI se produce en cuestión de unos pocos nanosegundos. Por tanto, es posible cambiar la dirección del diagrama de radiación antes de responder rápidamente a nuevos usuarios o amenazas. Igualmente, es posible cambiar el haz de radiación a un cero efectivo, absorbiendo la señal interferente, con lo que desaparece el objeto. Además, la antena phased array permite la radiación simultánea de múltiples haces. Por lo tanto, hace posible el seguimiento de múltiples objetivos o la gestión de datos de usuario para varios flujos de datos.
Otro aspecto crucial de la antena phased array es la separación entre los elementos de la antena. Es fundamental fijar el número de elementos una vez establecidos los objetivos del sistema. El diámetro del array físico depende del límite de tamaño de cada componente de la célula y es fundamental para evitar los lóbulos de rejilla.
El diseño del array se enfrenta a numerosos retos, como la gestión de la energía, el control de los circuitos, la gestión térmica, las consideraciones medioambientales y los circuitos de impulsos. Sin embargo, para reducir estos retos, la industria ha respondido recurriendo a arrays de bajo perfil. Aunque han demostrado su utilidad, las mejoras posteriores han garantizado una reducción del tamaño de su placa y, en consecuencia, de la profundidad de su antena. Sin embargo, el diseño de la antena de próxima generación avanza desde esta configuración de placa hacia un enfoque más de panel plano. El circuito integrado tiene una alta integración para un montaje sencillo en la parte posterior de la placa de la antena. De este modo, se reduce la profundidad de la antena, lo que ayuda a cargarla en aplicaciones portátiles.
Síntesis digital del haz
En el pasado inmediato, muchas antenas phased array han utilizado métodos analógicos de formación de haces con ajuste de fase utilizando las frecuencias de FI o RF. Sin embargo, se ha despertado un gran interés por la formación digital de haces. Cada elemento de antena posee un conjunto de convertidores de datos, y el ajuste de fase se realiza digitalmente en convertidores de datos como FPGA.
La formación digital de haces tiene varias ventajas. Entre ellas, la capacidad de transmitir múltiples haces, cambiar instantáneamente el número de los haces, etc. Esta flexibilidad resulta muy útil y atractiva para numerosas aplicaciones. Sin embargo, la mejora constante de los convertidores de datos ha permitido reducir el consumo de energía y mejorar el muestreo de RF.
Es importante tener en cuenta muchos factores a la hora de buscar soluciones digitales de formación de haces. Aunque dichos factores son diversos, cada uno de ellos depende del número de haces, el coste y los objetivos de consumo de energía. Por ejemplo, una solución digital de formación de haces tendrá un alto consumo de energía, ya que cada componente se combina con un convertidor de datos. Sin embargo, tiene mucha flexibilidad y comodidad cuando se trata de la formación de múltiples haces. También hay que tener en cuenta que los convertidores de datos necesitan un rango de vibración superior al de la formación de haces, sobre todo porque el bloqueo sólo puede producirse después de la digitalización.
Tipos de placas de circuito impreso para antenas
El proceso de diseño y fabricación de placas de circuito impreso para antenas requiere conocer los diversos tipos existentes y sus respectivas aplicaciones. No se puede diseñar o fabricar algo si no se tiene ni idea de su aplicación específica. Como ya se ha explicado, existen tres categorías dominantes de PCB de antena. Sin embargo, trasciende la clasificación en los numerosos tipos de PCB de antena.
La comprensión de los requisitos de diseño, los materiales y la empresa de fabricación para abordar su necesidad de PCB de antena se convierten en cruciales antes del proceso de fabricación. Mientras que Solo Electonic siempre cubrirá sus consultas de PCB de antena, prototipos y necesidades de fabricación, esta sección detallará los diversos tipos de PCB de antena que debe conocer antes de comenzar su proceso de diseño. Comencemos.
Antena wifi PCB
La antena wifi PCB proporciona a los clientes una fácil colocación y una solución fiable para la comunicación wifi integrada. También se puede personalizar en función de las especificaciones necesarias para el tipo de conector y la longitud del cable. Algunas de las especificaciones que acompañan a la antena wifi PCB son las siguientes.
Cumple la directiva RoHS gracias a los materiales empleados en su fabricación. La antena wifi PCB también ofrece un alcance 5G y 4G además de tener un conector IPEX para la conectividad. El rango de temperatura industrial es de -40 a 80 grados Celsius.
Atributos
- 50ohm impedancia
- 10 N de fuerza de tracción
- FPC o PCB
- Adhesive soporte
PCB Antena Bluetooth
Es un componente instrumental que permite el emparejamiento y la conexión Bluetooth en diferentes áreas de aplicación. La antena Bluetooth PCB viene incorporada y demuestra su robustez, flexibilidad y colocación directa en el PCB del cliente. Es más. El tipo de antena tiene una eficiencia media superior al 70% y superior al 45% en todas las bandas para soluciones fuera de tierra y en tierra, respectivamente.
Atributos
- It se presenta como una estructura embebida en PCB que cumple los requisitos de distancia al suelo y factor de forma reducido.
- High-solución integrada de alto rendimiento
- The soluciones terrestres y no terrestres
- Extensive soporte de aplicaciones y garantía de diseño
- Regular producto “listo para usar
- Cost-diseño eficaz y robusto que permite el embalaje pick and place, SMT y en bobina y cinta
Antena PCB de 2,4 GHz
El tipo de antena se presenta como una antena compacta de doble banda, especial para el diseño de pila monedero CR2032. Recibe y transmite en la frecuencia de 2,4 GHz, además de tener una eficiencia práctica media del 21% en toda la banda ISM de 2,4 GHz y del 51% en la cobertura del ancho de banda de 868 MHz para cualquiera de las dos bandas. La antena PCB de 2,4 GHz también puede sintonizarse para 915/920 MHz y 2,4 GHz.
Suele venir integrada para aplicaciones que requieren flexibilidad de integración. También es válida para aplicaciones Bluetooth y WLAN en frecuencias de 2,4 GHz.
Atributos
- Highly diseño de PCB eficiente
- Conector IPEX
- It está diseñado para funciones omnidireccionales
- Low perfil y con un tamaño compacto
Antena GPS PCB
Se trata de un importante tipo de antena que tiene su aplicación en dispositivos que requieren antenas decididamente compactas con un rendimiento de alta eficiencia de radiación. La mayoría de las antenas GPS PCB (cerámicas) proporcionan una eficiencia de radiación total media de un mínimo del 60% en 1561 a 1602 MHz. También soporta altas eficiencias de radiación por encima del 70% además de soportar un amplio rango de temperaturas de funcionamiento.
Atributos
- Low-radiador de antena GPS de perfil que convierte las ondas electromagnéticas no guiadas en ondas guiadas
- Pick y características de colocación.
- Laser radiador de antena formado de estructuración directa para aprovechar el alto rendimiento, la precisión de estructuración láser y la coherencia de RF, entre otros aspectos útiles.
- Nickel o trazas de oro que funcionan como transductores
- Silver pin que fija y posiciona la antena en la placa de circuito impreso
- Feeding almohadilla para conectar el transceptor y la placa de circuito impreso
Antena GSM PCB
El tipo de antena GSM PCB es una antena cuatribanda FR-4 diseñada a medida para dispositivos de seguimiento. Posee una alta eficiencia de RF y cumple la directiva RoHS, además de satisfacer los requisitos de PTCRB.
Atributos
- Supported banda incluye GSM 1900, 1800, 900, 850, UMTS 2100
- Frequency bandas de 824~960 y 1710~2170 MHz
- The impedancia de 50 Ω
- Ultra-pequeño con dimensiones de 74. x 8,2 x 0,8 nm
- A ganancia de 1,5 dbi ~ 3 dbi
- Band, antena y eficiencia de frecuencia, por ejemplo;
- -GSM 850, 824 ~ 896 MHz, 17%.
- -UMTS 2100, 1920 ~ 2170 MHz, 68%.
- -GSM 900, 880 ~ 960 MHz, 38%.
- -GSM 1900, 1850 ~ 1990 MHz, 70%.
- -GSM 1800, 1710 ~ 1850 MHz, 60%.
Antena PCB de 433 MHz
En su mayoría viene con un transceptor de RF de un solo chip que cuenta con demodulación FSK y capacidad de modulación. La antena PCB de 433 MHz encuentra su principal aplicación en equipos de radio UHF como requisito de conformidad, especialmente según la especificación ETSI. También se aplica en mandos a distancia, automoción, juguetes, sistemas de seguridad y alarma, telemetría y comunicación inalámbrica.
Atributos
- Two bandas de frecuencia
- True Transceptor FSK SC (chip único)
- No configuración o setup
- No necesidad de codificación de datos
- 20kbit/s velocidad de datos
- Limited componentes externos necesarios
- Low alimentación
- Wide rango de alimentación
- Standby modo
Antena NFC PCB
El tipo de antena PCB viene como un 13,56 MHz en el chip montado en una placa de circuito impreso para aplicaciones de comunicación de campo cercano. Posee un conector IPX/U.FL y por lo tanto puede ser desplegado por Xadow NFC, Grove NFC, y NFC Shield V2. Tiene un alcance máximo de 50 mm y una longitud de cable de 120 mm. La antena NFC PCB es ideal para aplicaciones NFC, especialmente aquellas con limitaciones de tamaño. Incluye entrada sin llave de automóviles, dispositivos portátiles, teléfonos inteligentes, terminales de pago, y los controles de acceso, por mencionar sólo algunos.
Atributos
- Comprises transmisión boost activa integrada
- Its su diminuta huella permite reducir el tamaño de la placa de circuito impreso del sistema
- Low toma de potencia
- Performs de forma eficiente, incluso en entornos apantallados
- It tiene unas dimensiones de 5 x 5 x 1 mm
- It cumple las normas Reach y RoHS
Antena PCB RFID
El tipo de antena PCB se presenta como una antena integral desplegada principalmente en el rastreo y seguimiento de placas de circuitos impresos durante y después de los procesos de fabricación, como la lucha contra la falsificación de productos de gama alta. Puede tener un alcance de lectura de hasta 10 m en función del diseño y el tipo de antena RFID PCB, por mucho que el seguimiento y el rastreo sólo necesiten unos pocos centímetros. Por lo tanto, encuentra su aplicación en el control de inventarios y minoristas, cabinas de peaje y pases de metro, y prevención de robos.
Atributos
- Two bandas de baja frecuencia, incluidos los 13,56 MHz y los 125 kHz
- Operates utiliza ondas de radio para captar y leer información sin necesidad de contacto directo
- Numerous Las clasificaciones se basan en la generación y la clase. Las clases centradas en la funcionalidad incluyen de la clase 0 a la clase 5
- Possesses tanto etiquetas RFID activas como pasivas y, por tanto, es capaz de recuperar simultáneamente numerosas etiquetas RFID
- Highly comunicación fiable y también una configuración flexible con este tipo de antena
Antena PCB Esp32
Se trata de un módulo altamente integrado que incorpora Bluetooth y wifi MCU y posee un bajo consumo de energía además de un rendimiento estable. La antena ESP32 PCB tiene aplicaciones en redes de sensores de baja potencia para algunas tareas exigentes como la decodificación de MP3, streaming de música y codificación de voz. Utiliza el chip ESP32-D0WD y combina el modo dual Bluetooth y wifi de 2,4 GHz. La frecuencia de reloj de la CPU se puede ajustar de 80 MHz a 240 MHz.
Atributos
- Integrates wifi, Bluetooth y Bluetooth LE para una amplia gama de aplicaciones
- A corriente de reposo no superior a 5 µA
- Data velocidades de hasta 150 Mbps
- The potencia de salida de antena de 20 dBm para garantizar un amplio alcance físico
- Dual núcleos de CPU
Antena PCB flexible
Se trata de un tipo de antena altamente fiable, de bajo perfil, económica y flexible muy utilizada en la industria inalámbrica. Consiste principalmente en un PCB flexible de poliimida completado con un material de cobre conductor para la tipología de antena prevista. La antena PCB flexible puede aplicarse en el desarrollo de antenas monopolares, F impresas y dipolares. La mayoría de estas antenas poseen un cable coaxial que las conecta al circuito necesario. Además. Esta antena PCB viene delgada y con una tira trasera pelable para poder pegarla en la superficie.
Atributos
- Bendable por lo que pueden incrustarse en módulos IoT pequeños con espacio limitado en la placa de circuito impreso
- It es posible colocarlas de todo tipo de formas, incluyendo vertical, coplanar u horizontalmente a la PCB primaria
- Customization las opciones de longitud de la antena de PCB flexible facilitan su conexión a un módulo específico.
- Simple requisitos de fabricación similares a los de las placas de circuito impreso estándar
- Similar niveles de rendimiento similares a los de las antenas omnidireccionales
Antena PCB 4G
El tipo de antena PCB 4G tiene una frecuencia de funcionamiento de 2400-2500 MHz además de una ganancia de 3dBi. Es inalámbrica en lo que respecta a la transmisión y recepción de señales y se aplica ampliamente en el sector de las telecomunicaciones para fines de comunicación. La antena también tiene una impedancia de 50Ω y polarización lineal. Con una temperatura de funcionamiento de -30° a 60° C junto con su tipo de conector U.FL y unas dimensiones de 49 x 32 x 2 mm, la PCB 4G es perfecta para sus correspondientes áreas de aplicación.
Atributos
- High calidad
- Compact tamaño
- Low coste
- Masking libre de corrosión
- 3M adhesivo de alta calidad
Importancia de los efectos de los materiales en el rendimiento de la PCB de antena
Como ya se ha dicho, las placas de circuito impreso para antenas son cruciales para ofrecer un rendimiento sólido y un tamaño reducido en las comunicaciones electrónicas. Los diseñadores deben tener en cuenta muchos factores que convergen para que los PCB de antena sean funcionales. Además de los componentes, la disposición y otras consideraciones similares, el tipo de material siempre es importante. Puede afectar al rendimiento de la antena PCB, especialmente en el ámbito de la intermodulación pasiva.
Así pues, aunque existen diversos tipos de PCB para antenas, es prudente tener en cuenta los aspectos materiales que afectan a los circuitos pasivos o activos desplegados en frecuencias de RF. Entre ellos se incluyen el factor de disipación, la constante dieléctrica, el CTE o coeficiente de expansión térmica, la conductividad térmica, el TCDk o coeficiente térmico de la constante dieléctrica, etc. Esta información es fundamental para proporcionar información valiosa sobre la implicación correspondiente del material en una placa de circuito impreso de antena.
Por lo tanto, como diseñador, ten en cuenta estos aspectos antes de elegir el material adecuado para tu diseño de PCB de antena.
Reflexiones finales
El tema de las PCB de antena es muy amplio y abarca diversos aspectos. Sin embargo, como un principiante, a partir de los aspectos detallados en el artículo servirá como un precursor increíble para el diseño y fabricación de PCB de antena de primera clase para adaptarse a su área de aplicación de la antena.
