La mayoría de las aplicaciones funcionan ahora con dispositivos inalámbricos, lo que significa que las antenas PCB están muy solicitadas para garantizar una comunicación perfecta. Pensemos en dispositivos sencillos como ratones inalámbricos y las redes emergentes IoT y 5G. Todos estos necesitan comunicación inalámbrica, y el uso de una antena PCB desempeñará un papel enorme en su desarrollo.
Si su proyecto se ocupa de la conectividad inalámbrica, examinaremos de cerca las antenas PCB. Esto incluye los diferentes tipos y formas en que podemos diseñar una. Empecemos.
¿Qué significa una antena PCB?
Una antena PCB puede definirse como un transductor que convierte la corriente en ondas electromagnéticas en cualquier PCB de alta frecuencia. Además, las antenas PCB ayudan en la conversión de corriente de alta frecuencia en ondas EM, que se propagan en el aire.
En cualquier PCB de alta frecuencia, hay dos antenas PCB principales. Suelen estar incrustadas en la PCB como una estructura de cobre grabado. Además, una de las antenas sirve como señal transmitida de la radiofrecuencia, mientras que la otra sirve como receptor reflejado de la señal de RF.
Asimismo, los materiales de base de la placa de circuito ayudan a transmitir las señales a la antena de PCB. Los circuitos de alta frecuencia acoplados a las antenas PCB conforman el sistema RF PCB de alta frecuencia completo.
Además, como el tamaño de la antena PCB está diseñado para que sea más pequeña y compacta, para aumentar su eficiencia, puede combinar diferentes parches microstrip para obtener la ganancia que se merece a partir del tamaño minimizado de la antena. El tamaño del parche depende de la longitud de onda de la frecuencia de funcionamiento del objetivo. La longitud de la antena también es importante.
En general, las antenas PCB son semidireccionales, direccionales y omnidireccionales. La antena omnidireccional tiene la capacidad de transmitir señales en prácticamente todas las direcciones. Sin embargo, la antena direccional sólo tiene una dirección en la que necesitarás la señal. El tipo semidireccional se suele especificar con un ángulo en el que se propaga la señal.
Para entender bien el funcionamiento de las antenas PCB, es necesario comprender qué es la adaptación de impedancias, así como los circuitos de resonancia. Para poder obtener la máxima eficiencia, la impedancia de carga y la impedancia de la fuente tienen que ser iguales.
Continuemos considerando los tipos de antena PCB.
¿Cuáles son los distintos tipos de antena?
La PCB de alta frecuencia se suele crear a partir de antenas. Además, las antenas PCB suelen estar incrustadas en él. Para poder entender bien los distintos tipos de antena, los comentaremos uno tras otro.
Antenas de hilo
La antena de hilo es un cable que se extiende por encima de la placa de circuito impreso (PCB) en un espacio libre. Esto también da el mejor rendimiento y alcance como resultado de sus dimensiones 3D y la exposición.
Antena PCB
También se puede denominar antena de traza PCB. Este tipo de antena PCB es simple como la traza que se dibuja en una placa de circuito impreso. A diferencia de las antenas de hilo, este tipo de antena PCB es en 2D. Esto se debe a que se encuentra justo en el mismo lugar que la placa de circuito impreso.
Antena de chip
La antena de chip existe como un factor de forma IC que tiene un conductor empaquetado en él. Este chip de tamaño compacto ofrece un alcance inalámbrico aceptable para los diseños de antenas BLE.
Otros tipos de antena son las antenas de parche y las antenas de ranura.
¿Cuáles son los parámetros de la antena?
Los siguientes son los parámetros de rendimiento importantes de la antena
Pérdida de retorno
Esto nos dice cómo esta antena se ajusta a la línea de transmisión de 50-Ω. Además, la característica de la impedancia de la línea de transmisión es de aproximadamente 50 Ω. Sin embargo, esto podría llegar a ser diferente. Sin embargo, el estándar para antenas comerciales y equipos de prueba es de aproximadamente 50 Ω.
Ancho de banda
Ayuda a definir la respuesta en frecuencia de funcionamiento de la antena. Esto indica la forma en que la antena se adaptará a la línea de transmisión a través de esa placa específica en cuestión. Para aplicaciones BLE, esto es por lo general alrededor de 2,40 a 2,48 GHz.
Trabaja con un ancho de banda más amplio. Esto se debe a que ayuda a reducir los efectos de desintonización que se producen como resultado de los cambios ambientales que rodean a la antena.
Eficacia de la radiación
Parte de la potencia no reflejada se transforma en pérdida térmica que se disipa en forma de calor. Esta pérdida se debe a las pérdidas conductoras presentes en las trazas de cobre, así como a las pérdidas dieléctricas del sustrato FR4. Este calor disipado ayuda a determinar la eficiencia de radiación. Además, una eficiencia de radiación del 100% significa que toda la potencia no reflejada se disipa en el espacio libre.
Patrón de radiación
El patrón de radiación revela cuál de las direcciones experimenta más radiación y cuál experimenta menos. La propiedad direccional desempeña un papel fundamental a la hora de orientar la antena de forma óptima para adaptarla a la aplicación.
La mayoría de las antenas tienen una dirección en la que sus señales de radiofrecuencia son más potentes. Las antenas PCB funcionan de forma similar. También pueden funcionar eficazmente como una antena direccional.
Ganancia
A diferencia de las antenas isotrópicas, que irradian uniformemente en todas direcciones, la ganancia indica la radiación desde la dirección deseada. Los dBi ayudan a expresar la ganancia revelando la intensidad del campo de radiación con respecto a la antena isotrópica correspondiente.
Pasos importantes en el diseño de antenas PCB
Antes de diseñar la antena de traza PCB, hay que tener en cuenta los siguientes factores para asegurar que el diseño de la antena pcb es impecable.
Consideraciones de diseño
Elija el mejor tipo de antena
Los diseños de antena vienen en diferentes formas. El más común es el tipo F y meandros. Este tipo F, que es el estándar, presenta la mejor relación entre rendimiento omnidireccional, tamaño, longitud de antena y eficiencia. Además, las trazas meandriformes suelen ser más compactas, pero se quedan atrás en su rendimiento.
Considera la construcción de la PCB
La longitud de las trazas de cobre de la placa de circuito impreso ayuda a determinar la frecuencia de resonancia. Además, cuanto mayor sea esta frecuencia de funcionamiento, más corta será la traza. Todas las antenas necesitan un área alrededor de la traza de la antena que no tenga trazas de cobre ni relleno de tierra en una capa de la placa de circuito impreso (o el área de aislamiento).
Además, las trazas anchas ofrecen un gran ancho de banda. Puedes cubrirlo utilizando una máscara de soldadura o un flash de oro. Por último, el rendimiento de la señal eléctrica de la antena depende del material del sustrato, del grosor y de la constante dieléctrica.
Los planos de tierra son muy críticos
Es necesario que las antenas PCB dispongan de un plano de tierra porque les confiere eficacia. La forma y el tamaño del plano de tierra afectan a la impedancia y al rendimiento de la antena. Por lo tanto, debe tener un vias a lo largo de mantener fuera de la zona de borde de la antena.
Incluir los componentes de adaptación
Las antenas desajustadas pueden reducir el alcance y el presupuesto del enlace de RF. Por ello, debe colocarse una red Pi en el punto de alimentación de la antena para evitar pérdidas por desajuste.
Adaptación de impedancias
Aparte de los componentes, asegúrese de que la impedancia de la fuente y de la antena coinciden (50 Ω) para obtener la máxima transferencia de potencia de RF. Procure que la pérdida de retorno sea igual o inferior a -10 dB.
Tenga en cuenta el entorno de la antena
Los recintos metálicos, componentes, así como otros componentes podrían afectar a la sintonización y al patrón de la radiación. Por lo tanto, asegúrese de que la antena se mantiene alejada de cajas metálicas, plástico metalizado y objetos metálicos.
Sintonización del diseño para algunas aplicaciones
Por último, asegúrese de sintonizar las dimensiones de adaptación, para algunas aplicaciones. Además, copiar los diseños existentes no es correcto. Esto se debe al hecho de que la ganancia y el diagrama de radiación cambian a medida que cambian los parámetros del área circundante.
Diseño de la antena y de la placa
Debes tener en cuenta dos secciones en la placa de circuito impreso. Estas incluyen el oscilador de cristal y las secciones de antena. Sin embargo, nos centraremos en la antena.
Pasos de diseño
Una vez que haya terminado de colocar los conectores y cabezales, coloque la traza de la antena y recuerde que debe tener una impedancia de traza de 50Ω. Esta traza de cobre sirve como línea de transmisión de alta frecuencia, mientras que el valor de la impedancia depende en gran medida del material dieléctrico y del grosor de la placa.
Lo siguiente es el cálculo del ancho de la traza. Utilizando un valor de 70 mils para el ancho de la traza, 1,4 mils como espesor de la traza, constante dieléctrica de aproximadamente 4,5, y el valor del espesor dieléctrico de 39,3701, tendremos un valor de impedancia de la traza de 50.
Una vez realizados los cálculos anteriores, se diseñará el trazado y se procederá a su fabricación, programación y prueba.
¿Cuáles son los tipos de placas de circuito impreso de antena?
- Antena PCB de ruedas
- Antena Yagi PCB
- Antena PCB de periodo logarítmico
- Antena PCB Quadcopter
- Antena PCB genérica
- Antena PCB flexible
- Antena UWB PCB
- Patch arrays antena PCB
- Antena PCB personalizada
Resumen
Ya está. Las antenas PCB juegan un papel importante en las aplicaciones modernas. El diseño anterior te permite construir una para tus proyectos fácilmente. Asegúrate de seguir las consideraciones del diseño. Si tienes alguna duda o quieres hacer alguna sugerencia o comentario, no dudes en ponerte en contacto con nosotros.
