Como obter melhor desempenho sem fio para dispositivos móveis com PCBs pequenos

A demanda por dispositivos sem fio menores está crescendo, para uso em aplicações de consumo, como wearables, dispositivos médicos e rastreadores, bem como em aplicações industriais, como iluminação, segurança e gerenciamento de edifícios. Conclui-se que dispositivos eletrônicos menores exigirão PCBs menores, o que significa que as antenas devem funcionar com planos terrestres mais curtos e, se forem operados por bateria, a energia também é um fator - porque o dispositivo não deve consumir muita energia.

Isso representa um grande desafio para o designer de produto. O design final precisará ser submetido para rede formal e aprovação do governo antes que o novo produto possa ser usado nas redes da operadora, e o design provavelmente falhará se a antena não funcionar corretamente ou se o dispositivo criar interferência de rádio por irradiando ruído do dispositivo. Conclui-se que é ainda mais difícil obter a aprovação da operadora para um produto menor, porque é mais difícil obter um desempenho sem fio que seja bom o suficiente para passar de transmissão e receber níveis mínimos. Isso é particularmente verdadeiro nos EUA, onde um projeto deve atender a critérios estritos para obter a aprovação da rede.

É um fato que, para antenas eletricamente pequenas operarem em frequências abaixo de 1 GHz, elas precisam, idealmente, de comprimentos de plano de aterramento de 100 mm ou mais para obter bom desempenho e eficiência. Se a eficiência da antena cair, isso causará problemas com o consumo de energia e a obtenção da aprovação da rede para o produto acabado. Isso significa que o desafio para um designer de produto é criar um design onde haja espaço suficiente para a antena funcionar corretamente e ainda encaixar todos os componentes em um PCB menor.

Isso é especialmente verdadeiro para antenas operando em frequências abaixo de 1 GHz, que são normalmente usadas para produtos como dispositivos IoT, rastreadores de produtos, dispositivos de fitness e outros pequenos dispositivos semelhantes.

Dispositivos vestíveis e dispositivos médicos que são usados ​​próximos ao corpo humano apresentam um desafio especial. O corpo humano restringe os sinais de RF, então o projetista deve considerar como a antena irradiará e certifique-se de posicionar a antena de forma que o corpo humano não obstrua os sinais.

Os dispositivos vestíveis podem ser tão pequenos quanto 50 mm ou até menos. E alguns deles podem usar mais de uma antena!

Existem vários fatores que afetam o desempenho da antena em um dispositivo pequeno e este artigo irá tratá-los por sua vez. O primeiro e mais importante é o plano de terra, que em muitos casos é essencial para a antena irradiar. Mas isso não é tudo, o projetista deve posicionar a antena corretamente e considerar os outros componentes e a posição destes em relação à antena, para garantir que nada ruidoso ou metálico fique no caminho da antena. Por fim, o invólucro do dispositivo pode fazer a diferença, e iremos delinear os principais materiais a serem evitados.

Antenas incorporadas - como funcionam

Uma antena dipolo usa dois radiadores para operar, mas uma antena com chip embutido tem apenas um. Para uma antena embutida, uma superfície do PCB se torna o segundo radiador. Isso explica porque, se o comprimento do PCB for muito curto, a antena não funcionará de forma eficiente.

A ressonância de uma antena está diretamente relacionada ao seu comprimento de onda. A antena deve ressoar em múltiplos ou frações de número inteiro do comprimento de onda, com o comprimento ressonante mais curto sendo um quarto do comprimento de onda.

Uma antena de onda completa na frequência de 916 MHz precisaria ter aproximadamente 327 mm de comprimento, o que não é prático para uma antena embutida, mas uma versão de quarto de onda é prática em um plano de terra de 87,2 mm. Isso será enrolado nos traços e camadas de cobre que estão escondidos dentro de uma pequena antena de chip montada na superfície.

Os projetistas de antenas contornam essa limitação usando o plano de terra como a metade ausente do dipolo de meia onda, de modo que uma antena monopolo de um quarto de onda irradia contra o plano de terra. Portanto, as antenas incorporadas mais populares em pequenos dispositivos sem fio tendem a ser antenas monopolo de quarto de onda.

Comprimento do plano de solo

Para que uma antena embutida funcione de forma eficiente, o plano de aterramento deve ter pelo menos um quarto do comprimento de onda da antena em sua frequência mais baixa. Consequentemente, nas frequências mais baixas, o projeto será muito mais fácil quando o plano do solo for de 100 mm ou maior.

O desempenho de uma antena embutida está diretamente relacionado ao comprimento de seu plano de aterramento, portanto, permitir que o plano de aterramento tenha o comprimento correto é o maior desafio para projetos menores.

A Figura 1 mostra a compensação entre o comprimento do plano de aterramento e a eficiência da antena de 794 MHz à esquerda para 2,69 GHz à direita.

Figura 1. (Fonte:Antenova Ltd)

Esses resultados mostram claramente como a eficiência da antena cai para pequenos planos terrestres em frequências abaixo de 1GHz. Esses resultados foram obtidos para uma antena de chip 3G / 4G operando nas frequências 791-960MHz, 1710-2170MHz, 2300-1400MHz e 2500-2969MHz.

Geralmente, o plano de aterramento precisa ser de 100 mm ou mais para um dispositivo que usa frequências abaixo de 1 GHz. Nos EUA, as frequências 4G usam bandas tão baixas quanto 698 MHz ou mesmo 617 MHz como a banda B71 da T Mobile que exige um plano de aterramento ainda maior do que 100 mm.

Posicionando a antena em seu PCB

A seguir, devemos considerar a posição da antena no PCB e sua colocação em relação aos outros componentes. A antena deve ser colocada na melhor posição no layout geral de RF e empilhamento de PCB para permitir que ela irradie com eficácia.

Cada antena individual é projetada para funcionar de forma eficiente em alguns lugares em um PCB. Muitas vezes é o canto ou uma borda, no entanto, cada antena é diferente, por isso é importante selecionar uma antena que se encaixa no design e posicioná-la de acordo com a recomendação do fabricante para aquela antena.

A Figura 2 mostra como a antena é colocada com sua área livre em um pequeno dispositivo, como um produto vestível ou relógio.

Figura 2. (Fonte:Antenova Ltd)

A Figura 3 mostra um posicionamento de antena adequado para um projeto de relógio. O projeto mantém a folga recomendada especificada acima e abaixo desta antena, que é mostrada em vermelho.

Figura 3. (Fonte:Antenova Ltd)

Não coloque componentes barulhentos, como uma bateria ou um LCD perto da seção da antena. As antenas são componentes passivos que recebem energia e captam o ruído irradiado dos componentes barulhentos e transferem esse ruído para o rádio, degradando o sinal recebido. A antena também deve ser colocada longe do corpo humano para melhorar o desempenho de RF, esta é a distância marcada em azul na Figura 3 acima.

O arranjo da alimentação de RF e as conexões de aterramento são essenciais para o funcionamento da antena. Com pequenas antenas incorporadas em pequenos PCBs, as trilhas de cobre gravadas no PCB podem formar uma parte integrante da antena, portanto, deve-se tomar cuidado para seguir as especificações do fabricante ou o design de referência.

Layout geral de RF e empilhamento de PCB

Você pode maximizar o desempenho da antena, considerando cuidadosamente o layout dos elementos de RF no design. O plano de aterramento de cobre não deve ser cortado com traços ou disposto em mais de uma camada, então a parte do plano de aterramento da antena será capaz de irradiar com mais eficácia.

É essencial manter componentes como LCD ou baterias longe da área da antena no layout do PCB, pois eles podem interferir na forma como a antena irradia.

Para frequências multibanda, sugerimos um layout de PCB com um mínimo de quatro camadas.

A Figura 4 mostra como as camadas superior e inferior fornecem planos de solo, enquanto os sinais digitais e a energia que precisam estar longe do plano de solo, correm no espaço entre eles.

Figura 4. (Fonte:Antenova Ltd)

Ajustando a antena para desempenho

Para os casos em que o plano de terra é mais curto do que o ideal, um projetista pode procurar outras técnicas para aumentar o desempenho de uma antena embutida.

Uma maneira é sintonizar a antena para seu país de operação. A faixa de frequência 4G é ampla, indo de 698 MHz a 2690 MHz, mas cada região diferente do mundo usa apenas uma parte dessa faixa, e uma antena pode operar apenas em uma frequência por vez. Isso significa que quando um produto deve ser usado em uma região geográfica, ele pode ser ajustado para operar em uma seção mais estreita da banda de frequência. Isso aumentará o desempenho da antena.

Outra técnica é incluir uma rede de sintonia ativa, efetivamente um circuito de comutação RF adicional, que ajudará a superar a redução da largura de banda causada por um aterramento menor onde o PCB host é menor que 75 mm. Um circuito de correspondência PI é adicionado próximo ao ponto de alimentação da antena, para fazer o ajuste fino da antena e aumentar o desempenho. O projeto do circuito compatível geralmente precisará da ajuda de um especialista em RF.

A Figura 5 mostra um circuito correspondente em uma placa de avaliação de antena.

Figura 5. (Fonte:Antenova Ltd)

Projetando a linha de transmissão

Uma vez que o material para o PCB foi escolhido e sua espessura e constante dielétrica são conhecidas, uma linha de transmissão coplanar pode ser projetada usando um dos pacotes de software de design de rastreamento de RF disponíveis no mercado. Isso usará a espessura do PCB, a separação da camada de cobre e a constante dielétrica do substrato para calcular a largura ideal para a linha de transmissão e as lacunas apropriadas em ambos os lados para obter uma linha de transmissão coplanar de 50 Ω.

Todas as linhas de transmissão devem ser projetadas para ter uma impedância característica de 50Ω, e as outras partes do sistema de RF, como transceptores ou amplificadores de potência também devem ser projetadas com uma impedância de 50Ω.

A Antenova oferece uma ferramenta gratuita de calculadora de linha de transmissão de RF para ajudar os projetistas a determinar o tamanho da linha de transmissão.

Outros fatores

Pode haver mais de uma antena, operando em frequências diferentes no mesmo PCB, mas colocada nas proximidades. Se a antena for um sistema apenas de recepção, como um receptor GPS, ela pode ser detectada por uma antena de transmissão próxima, como um rádio 4G, reduzindo a precisão do sistema GPS. Deve-se tomar cuidado para separar esses sistemas de antena pela distância física entre as antenas - certificando-se de que as antenas sejam ortogonais entre si - ou marcando o plano de aterramento para remover as correntes de aterramento compartilhadas entre as antenas.

Em sistemas de múltiplas entradas e saídas (MIMO), o projeto exigirá mais de uma antena, que deve ser colocada uma em relação à outra para que possam coexistir. Então, eles podem ser combinados com as mesmas frequências. É imperativo que as antenas sejam colocadas para garantir que o isolamento e a correlação cruzada estejam dentro dos limites aceitáveis. Conforme mencionado acima, deve-se tomar cuidado para separar a antena do dispositivo pela distância física entre as antenas, certificando-se de que as antenas sejam ortogonais entre si ou marcando o plano de aterramento entre as antenas para remover as correntes de aterramento compartilhadas entre as antenas.

A Figura 6 mostra as configurações de proximidade para diversidade.

Figura 6. (Fonte:Antenova Ltd)

A Figura 7 mostra configurações opostas para diversidade.

Figura 7. (Fonte:Antenova Ltd)

A caixa externa não deve conter metal próximo à antena, mas certos revestimentos metalizados são aceitáveis ​​porque não conduzem energia de maneira eficaz. Objetos de metal próximos à antena podem fazer com que a frequência da antena diminua. Ele também pode reduzir a quantidade de largura de banda com a qual a antena foi projetada para operar. Outro problema com objetos metálicos próximos à antena é que os objetos metálicos bloqueiam o sinal na direção em que o metal é colocado, reduzindo o padrão geral de radiação e, possivelmente, fazendo com que o sinal se degrade o suficiente para perder a conexão com a estação base.

Conclusão

Se o design do produto incluir uma antena, especialmente se estiver usando um PCB pequeno, recomendamos selecionar a antena primeiro e colocá-la primeiro no PCB. É mais fácil fazer dessa maneira, em vez de encaixar uma antena em um projeto acabado de outra forma. Pensar primeiro na antena geralmente é a maneira mais rápida de obter um projeto em que o elemento de RF funcione como deveria.

Isso aumentará a chance de obter aprovação da rede para o dispositivo. A antena precisa operar de forma eficiente para obter aprovação e as regras são rígidas. No entanto, a AT&T fez concessões para dispositivos menores que 107 mm e reduziu o limite de eficiência para esses dispositivos menores.