Como colocar duas ou mais antenas em um projeto

Projetar um PCB com mais de uma antena não é simples . Este artigo destaca alguns dos fatores que afetam o comportamento das antenas e seus sinais de RF e que devem ser considerados no layout do PCB.
A colocação de uma antena em um projeto sempre requer cuidados, mas quando há duas ou mais antenas no projeto, é ainda mais importante entender como as antenas irradiam, como se comportarão juntas e como suas posições relativas afetarão o sinal.

Geralmente, as antenas SMD são projetadas para coexistir próximo a outros componentes, desde que algumas regras básicas sejam seguidas.

O conselho é manter as antenas longe de outros componentes barulhentos e permitir um plano de aterramento abaixo da antena, para permitir que ela irradie com eficácia. É importante manter o espaço abaixo da antena livre em todo o empilhamento do PCB.

Para projetar um dispositivo com várias antenas diferentes dentro, você vai querer saber como várias antenas coexistirão e funcionarão em um único sistema no PCB. O requisito para vários sistemas de rádio operarem com antenas próximas umas das outras é chamado de "coexistência no dispositivo".

Em alguns casos, duas antenas são usadas para trabalhar juntas na mesma frequência em uma configuração de diversidade, o que fornecerá uma transmissão mais forte do que uma antena sozinha. Em outros casos, um dispositivo precisa de mais de uma conexão sem fio operando em frequências diferentes e o design deve permitir alguma separação entre elas, para permitir que operem de forma independente em “coexistência”.

Com um bom design, você pode obter alto desempenho e confiabilidade para todas as antenas da placa. O objetivo do projetista é colocar as antenas de uma forma que obtenha o isolamento entre todas as antenas e permita que todas funcionem corretamente juntas.

Padrões de radiação

Cada antena tem seu próprio padrão de radiação, que será mostrado na ficha do fabricante, pois a antena irradiaria em perfeitas condições, por exemplo em uma câmara anecóica.

Os padrões de radiação são geralmente mostrados como um padrão 3D e como uma seção transversal bidimensional desse padrão. A antena irradiará em torno de um eixo que corre ao longo do comprimento da antena, e a energia elétrica da antena é refletida mais fortemente em uma direção que é perpendicular a esse eixo. Esta é a polarização da antena.

O padrão de radiação para uma antena é normalmente medido no centro da banda de frequência onde a antena será usada.

Figura 1. Padrão de antena 3D para uma antena LTE em 1990 MHz. (Fonte:Antenova)

clique para ver a imagem em tamanho real

Figura 2. Padrão de antena para a mesma antena LTE em 1990 MHz, seção transversal. (Fonte:Antenova)

Pares de diversidade

Diversidade é uma técnica de antena em que duas antenas são usadas juntas na mesma frequência para criar uma conexão sem fio mais confiável. É uma ótima solução para dispositivos móveis sem fio que se movem no espaço livre, já que as duas antenas trabalhando juntas têm maior probabilidade de fornecer um link confiável conforme o dispositivo se move.

Com diversidade, a primeira antena é a antena principal e a segunda antena é a antena de diversidade. As duas antenas podem compartilhar o mesmo plano de aterramento e são colocadas em zonas espaciais diferentes, o que reduz o “acoplamento” - um fenômeno em que as duas antenas refletem sinais semelhantes.

Em uma configuração de diversidade, as duas antenas transmitem simultaneamente, mas apontando em direções diferentes. O receptor então captará o mais forte dos dois sinais, o que aumentará a confiabilidade do sinal recebido. O par de antenas pode ser colocado nos cantos opostos ou lados opostos do PCB.

Quando as antenas são usadas em uma configuração de diversidade, elas são colocadas para reduzir o acoplamento - ou seja, as duas antenas são colocadas de modo que seus padrões de radiação sejam completamente diferentes entre si.

Polarização

A polarização de uma antena é paralela ao longo eixo da antena, e a antena irradia sua energia perpendicular a este eixo, com zonas de potência nula em cada extremidade da antena.

Para a melhor correlação cruzada, o par de antenas de diversidade deve ser colocado em polarização cruzada, polarização diferente no espaço e na polaridade. O receptor receberá o sinal mais forte de uma ou outra das antenas. Isso proporciona uma recepção mais forte do que a obtida apenas com uma antena. Na prática, isso geralmente significa que as duas antenas serão colocadas a 90 ° uma da outra, o que atinge polarização diferente e envia sinais mais confiáveis ​​para o receptor conforme os dispositivos se movem.

Reduzindo efeitos de acoplamento

O acoplamento antena a antena é uma ocorrência natural em um dispositivo compacto. Isso diminui o padrão de radiação e aumenta a interferência de canal cruzado sofrida por cada antena. Também altera as características de entrada da antena. Você pode minimizar os efeitos de acoplamento gravando via no plano de solo.

Distância entre antenas

A distância entre as duas antenas de diversidade deve ser de pelo menos um quarto do comprimento de onda e a distância entre elas afetará o sinal.

clique para ver a imagem em tamanho real

Figura 3:Exemplo - O diagrama mostra o isolamento vs. distância da antena principal à antena de diversidade. 40 mm, 25 mm e 20 mm são mostrados para comparação. Este exemplo mostra a antena Integra SR4L049 da Antenova. (Fonte:Antenova)

Isolar antenas em frequências diferentes

As antenas que operam em frequências diferentes devem ser colocadas de forma que não interfiram umas nas outras. Em termos de antena, eles precisam ser eletricamente isolados um do outro. O objetivo é posicionar cada antena de forma que ela atinja alto desempenho, porém o isolamento pode reduzir a potência de irradiação da antena. O valor do isolamento é medido como o coeficiente S21, com um analisador de rede.

Existem várias maneiras de melhorar o isolamento entre as antenas. Simplesmente posicionar as antenas mais afastadas, levando em consideração seus padrões de radiação, criará alguma separação, o que ajudará.

Posicionar as antenas de forma que haja isolamento entre cada par de antenas vai ajudá-las a irradiar de forma independente, mas com alguma redução na potência de transmissão de cada uma.

A próxima opção é usar um filtro para reduzir a eficiência de uma antena na frequência que a antena oposta requer.

Figura 4. O direcionamento do feixe é uma técnica de antena para melhorar o isolamento e a correlação cruzada em aplicações de diversidade. (Fonte:Antenova)

ECC (Coeficiente de Correlação de Envelope)

Para verificar a capacidade de isolamento de um sistema de antena MIMO, o ECC é um importante critério de desempenho em sistemas de antena MIMO para estudar. O ECC pode ser calculado com base nos parâmetros S ou nas características de campo distante do sistema de antena. ECC baseado em parâmetros de campo distante considera a direção do feixe irradiado de cada antena no sistema de antena MIMO, enquanto ECC baseado em parâmetros S considera as características de porta das duas antenas.

ECC baseado em propriedades de campo distante é considerado mais preciso em uma análise de isolamento, embora seja mais difícil devido à necessidade de medir os padrões de radiação da antena. Um valor ECC menor que 0,5 é geralmente considerado aceitável para um sistema de antena MIMO.

clique para ver a imagem em tamanho real

Perda irradiada vs. perda de retorno
Figura 5:A imagem mostra os gráficos de radiação para duas antenas em paralelo e em ângulos retos, e como a segunda configuração mostra um sinal mais consistente. (Fonte:Antenova)

Conclusão

Muitos dispositivos móveis usam várias conexões sem fio. Eles podem ser qualquer combinação de antenas de posicionamento 4G / LTE, MIMO / WLAN, Bluetooth ou GNSS, e pode facilmente haver cinco ou seis antenas dentro de um projeto - por exemplo, antenas de diversidade para LTE / 4G para fornecer o link de celular, um Wi- Antena Fi para Bluetooth e uma antena GNSS para posicionamento. Nesse caso, o objetivo é que todas as antenas operem lado a lado, mas sem interferir umas nas outras, no ambiente de multissistemas. Se a coexistência não for considerada, pode muito bem acontecer que um sinal LTE / 4G forte bloqueie o sinal de uma antena menor, como uma pequena antena Wi-Fi.

Projetar um PCB com mais de uma antena não é simples. Este artigo destaca alguns dos fatores que afetam o comportamento das antenas e seus sinais de RF e que devem ser considerados no layout do PCB. Para ter certeza de que todos os componentes estão funcionando corretamente juntos, o PCB deve ser enviado para teste pelo ar em uma câmara anecóica. Ele destacará todas as modificações necessárias ao design e mostrará como as antenas estão se comportando juntas e preverá o desempenho do dispositivo no mundo real.

---

Geoff Schulteis é engenheiro sênior de aplicações de antena da Antenova Ltd. Geoff tem mais de 20 anos de experiência em projeto, integração e teste de antenas e atualmente chefia o suporte técnico para os clientes da Antenova na América do Norte. Ele é um profissional de engenharia de antenas com mais de 20 anos de experiência em projeto, integração e teste de sistemas de antenas para produtos de consumo de P&D até a fabricação e implantação comercial.

---

Conteúdos Relacionados:

• Como adicionar uma antena muda o processo de design
• Integrando antenas de chip em um PCB:entendendo a combinação de antenas
• Como obter melhor desempenho sem fio para dispositivos móveis com PCBs pequenos
• 5G e GaN:Noções básicas sobre infraestrutura MIMO maciça de sub-6Ghz
• Como os rádios definidos por software lidam com o ajuste de frequência ultra-ampla

Para obter mais informações sobre o Embedded, assine o boletim informativo semanal da Embedded por e-mail.