Como adicionar uma antena muda o processo de design

O ciclo de design é um pouco diferente quando o produto é sem fio e requer uma antena. As antenas mudam o processo de design, porque precisam ser localizadas com cuidado, na melhor posição no PCB, e é importante considerar sua relação com alguns dos outros componentes do design.

Idealmente, o projetista deve organizar os elementos de RF do projeto antes de considerar os outros componentes. Neste artigo, examinamos os estágios adicionais que uma antena adiciona ao ciclo de projeto, começando com a seleção da antena mais adequada.

Seleção de antena

As antenas incorporadas mais populares são o grupo de dispositivos montados na superfície (SMD). Eles são populares principalmente devido ao uso eficiente do espaço da placa, mas também porque podem atingir um desempenho excelente dentro de um dispositivo. Essas antenas são minúsculas; eles podem ter até 1 mm de diâmetro e são refluídos diretamente no PCB host durante o processo de montagem da placa. Geralmente, eles são fabricados a partir de substratos laminados dielétricos de alto grau.

O projetista também pode considerar o uso de um módulo de antena pronto para uso. Eles contêm a antena em um pequeno pacote com outros componentes, prontos para serem inseridos no design. A principal vantagem de escolher um módulo de antena é o fato de que ele pode ser encaixado no projeto e o circuito de RF é fornecido pronto para uso.

Antenas de circuito impresso flexível (FPC) podem ser uma opção interessante onde o layout do componente do projeto é restrito no espaço disponível na placa ou onde, por algum motivo, uma antena SMD não caberá facilmente. O FPC é composto por uma fina camada de fita de cobre com um cabo integral e um conector UFL para uni-los à placa de circuito. É fino o suficiente para ser ligeiramente dobrado em uma superfície curva e colocado em um pequeno espaço dentro do dispositivo, talvez fixado dentro do revestimento externo do design. Os FPCs são uma boa escolha onde o espaço é apertado e são populares em pequenos dispositivos portáteis.

Se o design do dispositivo contém materiais que podem comprometer o desempenho, o designer pode escolher uma antena externa (Figura 1). As antenas incorporadas tendem a não atingir um desempenho forte próximo aos componentes de metal, portanto, se grandes recursos de metal forem incorporados ao design, um terminal ou antena montada na caixa colocada do lado de fora do dispositivo pode fornecer o melhor desempenho.

Figura 1. As opções de antena externa incluem (da esquerda para a direita) uma antena SMD, uma antena FPC ou antenas de terminal. Fonte:Antenova

Essas antenas são fabricadas com seu próprio material isolante para isolar o sinal de RF e, se houver peças de metal por perto, elas ainda funcionarão com perdas mínimas. As antenas montadas na caixa liberam espaço para outros componentes no PCB e, como não são tão sensíveis às outras partes do design, são mais fáceis de integrar.

Posicionamento da antena

De todos os componentes em um design sem fio típico, a antena é provavelmente o mais sensível à sua posição. Portanto, é recomendável que a localização da antena seja decidida logo no início.

A antena SMD é soldada diretamente ao PCB host e a posição da antena tem implicações em seu desempenho de RF. A antena irradiará em seis direções ao longo de um eixo, geralmente ao longo do comprimento da antena. Isso significa que, para um bom desempenho, ele deve ter o máximo possível de direções livres de obstruções reflexivas e de absorção. Por esse motivo, as antenas são frequentemente colocadas no canto do PCB ou projetadas para serem usadas em uma das bordas do PCB. Os fabricantes projetam suas antenas para operar em posições diferentes, e a folha de dados de cada antena especificará exatamente como a antena irradia e como colocá-la no PCB host para otimizar o desempenho.

Figura 2. Uma antena SMD é colocada na borda longa de um PCB. Fonte:Antenova

Existem certos componentes que precisam ser colocados o mais longe possível da antena, porque eles criam ruído e podem causar impedância para o desempenho radiado da antena. Os principais culpados por causar interferência são motores, baterias e quaisquer componentes com alto teor de metal, como LCDs.

Finalmente, o invólucro externo do dispositivo também pode causar interrupções para os campos irradiados da antena. Se o dispositivo tiver uma tampa de plástico, tome cuidado, porque o plástico tem uma constante dielétrica maior do que o ar e pode provavelmente desafinar a frequência de ressonância da antena.

Planos terrestres e design de placa para RF

As antenas SMD normalmente requerem um plano de aterramento para irradiar. Em um design incorporado, o plano de aterramento é uma seção do PCB que fornece uma superfície plana contígua para o sinal de RF retribuir. O plano de aterramento deve ter um determinado comprimento, que está relacionado ao comprimento de onda mais longo da antena. Portanto, é fundamental fornecer a quantidade correta de espaço para o plano de aterramento no PCB, pois isso permitirá que a antena irradie com eficiência.

Novamente, isso será explicado na folha de dados do fabricante da antena. Às vezes, o plano de terra está abaixo da antena, e às vezes é adjacente a ela; isso irá variar de antena para antena e será um fator na sua escolha de antena SMD.

Além de exigir um plano de aterramento, as antenas geralmente requerem um certo espaço ao seu redor para estarem livres de quaisquer outros componentes - uma área de exclusão. Os requisitos de proteção para cada antena também são exclusivos para cada antena individual, e essas áreas precisarão ser mantidas livres de outros componentes, possivelmente através de várias camadas, se não de toda a placa abaixo da antena.

O desempenho de RF do dispositivo será melhor se as linhas de rastreamento de RF forem mantidas o mais curtas possível do rádio à antena. Isso ocorre porque as linhas de transmissão mais longas são mais propensas a reflexos e perdas de energia de sinal no traço de cobre, o que pode degradar o desempenho geral irradiado do dispositivo. Portanto, recomendamos que os elementos RF do projeto sejam colocados o mais próximo possível da antena.

Alguns projetos se beneficiarão de um circuito de correspondência de elemento concentrado - como um circuito de correspondência de Pi - dentro do circuito de RF para sintonizar a antena para melhorar a largura de banda de trabalho.

Figura 3. Um projeto de antena com um circuito de sintonia ativo pode superar a redução da largura de banda vista com um plano de aterramento menor. Fonte:Antenova

Análise Gerber e teste de RF

Antes de o projeto ser finalizado, uma revisão do layout do arquivo Gerber fornece uma boa verificação dos circuitos de RF e linhas de transmissão no empilhamento de camadas do projeto de PCB e sinaliza todas as áreas que não estão totalmente corretas. A revisão Gerber verifica se a antena, o módulo, as linhas de transmissão, vias e materiais de PCB estão todos otimizados para um bom desempenho de RF. Algumas empresas de design de antenas cobram pelas análises Gerber, enquanto outras as oferecem gratuitamente, ou você pode usar um pacote de design de software para essa finalidade.

O próximo teste será medir o desempenho da antena em seu PCB. Isso é feito em uma câmara anecóica. Porém, a antena pode funcionar bem nas condições perfeitas da câmara, e então se comportar de forma diferente em sua aplicação final, onde pessoas e objetos no ambiente podem afetar a forma como a antena irradia. Portanto, com um design para um dispositivo vestível ou um dispositivo médico para ser usado próximo ao corpo humano, a antena deve ser sintonizada e testada com uma cabeça ou mão fantasma na câmara anecóica.

Mais alguns testes podem avaliar o quão bem o projeto funcionará na vida real:teste passivo, teste over-the-air (OTA) e radar de abertura sintética (SAR). Os resultados serão medidos quanto à eficiência, emissões espúrias, potência total irradiada e sensibilidade isotrópica total.

É fundamental testar o design para ter certeza de que o dispositivo funcionará corretamente no uso diário e não criará emissões ou interferência. Esses testes são críticos onde o projeto requer a aprovação da rede da operadora e é comum usar um serviço de teste de RF especializado.

Finalmente, todo projeto de redes celulares deve ser certificado pela operadora de rede móvel para obter aprovação para ser usado em sua rede.

>> Este artigo foi publicado originalmente em nosso site irmão, EDN.

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Geoff Schulteis é especialista em aplicações de antena de RF e lidera o suporte técnico para projetos de clientes da Antenova na América do Norte.

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