PCB antenna: el innovador software de diseño de antenas en PCB que facilita su implementación

Zachariah Peterson
|  Creado: April 9, 2020
PCB antenna: el innovador software de diseño de antenas en PCB que facilita su implementación

El diseño de antenas en circuitos impresos puede ser una tarea difícil para cualquier software; no obstante, esto no supondrá un problema para Altium Designer.

ALTIUM DESIGNER

Asegúrese de poder implementar antenas en sus diseños sin problemas.

Las demandas de los consumidores y la industria evidencian la necesidad de dispositivos inalámbricos más pequeños. Dispositivos compatibles con tecnología móviles, aplicaciones bluetooth de baja energía (BLE), sistemas de comunicación personal, aplicaciones para el «Internet de las cosas» (IoT), tecnologías médicas, sistemas de asistencia al conductor avanzados para automóviles, así como otras tecnologías innovadoras. Cada una de estas y otras aplicaciones requieren antenas en las PCB que reduzca la huella física y los costes sin que el rendimiento se vea afectado. Es más, los diseños de antenas en PCB deben asimismo responder a las exigencias de frecuencia que van de la típica banda de 2,4 GHz a frecuencias de onda milimétrica.

En vez de utilizar un cable tridimensional que se extienda sobre la PCB o un chip con una antena, las antenas en PCB son unas pistas dibujadas en una placa de circuito impreso. En función del tipo de antena y de las restricciones de espacio, el tipo de pistas utilizadas para las antenas en PCB pueden ser rectas, de tipo F invertida, serpenteantes, circulares o curvadas ondulantes. La estructura bidimensional de la antena PCB requiere un software de diseño como Altium Designer que garantice que la estructura cumpla con las especificaciones facilitadas por el fabricante.

El mejor software de diseño de antenas en PCB que aúna innovación y aplicación

Los fabricantes pueden ofrecer antenas en PCB como componentes ya fabricados con su cables y conectores. Gracias a las variadas opciones de antenas en PCB disponibles, un equipo puede añadir antenas al diseño de su sistema o personalizarlas según sus necesidades eléctricas y mecánicas. Existen diseños de antenas en PCB que van desde parches Microstrip a combinaciones de parches de este tipo, striplines y líneas de transmisión de guías de ondas coplanares (CPW). Algunos diseños pueden combinar diferentes tipos de líneas de transmisión en la misma antena en PCB.

La elección de un diseño de antena en PCB se basará en la aplicación. Un ratón inalámbrico no requiere el mismo rango de radiofrecuencia ni la velocidad de datos que puedan necesitar otras aplicaciones. Los sensores y dispositivos conectados al Internet de las Cosas requieren rangos de radiofrecuencia mayores y velocidades de datos superiores. Los diseños de antenas en PCB más actuales incorporan cobertura de banda dual y banda con múltiples frecuencias como respuesta a las aplicaciones del sistema que requieren rangos de frecuencia de banda ancha o múltiples aplicaciones servidas por la misma antena.

Por la variación en los rangos de radiofrecuencia, los diseños que tienen los mismos requisitos de potencia a menudo cuentan con distintas composiciones y aplican diferentes principios al diseño de la antena. Independientemente de la aplicación, el diseño de la antena y la composición de la radiofrecuencia tendrán un impacto superior en el rendimiento. Adicionalmente, los diseñadores de antenas de PCB deben seguir las pautas de composición para las pistas de radiofrecuencia, respetar las mejores prácticas de apilamiento y conexionado de PCB, proporcionar desacople de fuentes de alimentación y seleccionar los componentes pasivos de radiofrecuencia apropiados. Las diferencias en los requisitos del producto y de diseño establecen la necesidad de un software de diseño de antenas en PCB.

Como ejemplo, algunas aplicaciones de frecuencia que no requieren una ganancia superior usan antenas en PCB monopolo que consisten en un parche «microstrip» formado en un lado de un laminado de circuito separado de un plano de conexión más grande por un dieléctrico. Otras aplicaciones pueden requerir una ganancia superior en determinadas frecuencias y utilizar configuraciones multicapa. En cualquier caso, la longitud de onda de la frecuencia de funcionamiento deseada tiene una relación directa con el tamaño del parche.

Se necesita un acercamiento fundamental para el diseño de antenas en PCB

El diseño de antenas en PCB empieza con el establecimiento de parámetros de rendimiento clave. Estos parámetros incluyen:

  • pérdida de retorno;
  • ancho de banda;
  • eficiencia de la radiación;
  • esquema de radiación; y
  • ganancia.

Todas las antenas deben emparejarse a una alimentación de la señal con una impedancia característica de 50 ohmios. La pérdida del retorno de una antena indica la calidad al emparejarse, ya que muestra la cantidad de potencia incidente (dB) reflejada por la antena (dB) por la falta de coincidencia. Una pérdida de retorno infinita indica que la antena se empareja con la alimentación de la señal. Los diseños de antenas perfectos radian toda la energía sin reflejos. Generalmente, los equipos de diseños aceptan como suficiente una pérdida de retorno de 10 dB. El 90 % de la potencia incidente va a la antena para su radiación.

El ancho de banda de una antena mide la respuesta de frecuencia de la antena. Para ponerlo en una perspectiva diferente, el ancho de banda mide la capacidad de la antena de emparejar la alimentación de la señal sobre toda la banda de interés. Cuando estamos trabajando en un dispositivo BLE, las pérdidas superiores ocurren a 2,33 GHz y 2,55 GHz, mientras que las pérdidas inferiores y la mejor eficiencia se da entre 2,40 GHz y 2,48 GHz. La mayoría de los dispositivos para consumidores usan un ancho de banda superior que minimiza los efectos de desintonización causados por los entornos de funcionamiento.

La eficiencia de la radiación describe la cantidad de potencia no reflejada disipada como calor o pérdida térmica en una antena. Una eficiencia de radiación del 100 % indica que toda la potencia no reflejada se radia en el espacio libre. En las antenas en PCB, la pérdida térmica se produce por la pérdida dieléctrica en el sustrato FR4 y la pérdida de conductor en las pistas. Las antenas en PCB con un factor de forma pequeño tienen la mínima pérdida térmica y la máxima eficiencia de radiación.

Las antenas, además de la eficiencia de radiación, tienen una potencia de radiación específica. Un antena con un comportamiento ideal radia potencia en la misma cantidad en todas direcciones en un plano perpendicular al eje de la antena. La mayoría de las antenas en PCB tiene excelente, por debajo de un nivel ideal, eficiencia de radiación con esquemas omnidireccionales. Ya que el esquema de radiación muestra las direcciones con una radiación superior e inferior, la eficiencia de radiación muestra cómo orientar la antena para la aplicación. La ganancia (dBi) de una antena mide la fuerza de la radiación en la dirección de interés cuando se compara con un comportamiento ideal.

Junto con la observación de esos parámetros, las antenas en PCB requieren un plano de tierra de un tamaño apropiado para un rendimiento óptimo. Desde una perspectiva de diseño simple, la antena se comporta como un resonador LC. La frecuencia de resonancia se reduce con los incrementos de la inductancia o la capacitancia. Los planos de tierra más grandes incrementan la capacitancia y reducen la frecuencia de resonancia. Una mejor conexión a tierra logra una mejor pérdida de retorno. Al establecer la conexión a tierra correcta permitimos que la antena en PCB presente un mejor rendimiento.

Los retos del diseño de antenas en PCB

Varios retos diferentes confrontan a los equipos que buscan diseñar antenas en PCB de alto rendimiento. Algunas aplicaciones pueden utilizar varias antenas tanto en el transmisor como en el receptor para mejorar el rendimiento de un sistema de antenas. No obstante, los elementos de la antena que se encuentran cerca pueden empezar a interactuar acoplándose entre sí. Cada reacción entre los elementos afecta a la posibilidad de que la impedancia del conjunto al emparejarlo sea buena y a la pérdida de energía. Es más, el acoplamiento electromagnético interrumpe el esquema de radiación de la antena, inhibe la ganancia y afecta a la frecuencia de resonancia.

Otro desafío es solucionar el efecto de la caja en la sensibilidad de la antena. En muchos casos el plástico de las cajas tiene una constante dieléctrica superior al aire. La ausencia de espacio suficiente entre la antena y la caja hace que la antena vea una constante dieléctrica efectiva superior. Como resultado, la longitud eléctrica de la antena incrementa y la frecuencia de resonancia se disminuye. Los equipos de diseño deberían siempre verificar el rendimiento de la antena al emparejarse con la red en la caja de plástico final en su sitio y el producto en un escenario de uso habitual.

Con frecuencias altas, la impedancia de un circuito de radiofrecuencia cambia cuando se mide en distancias diferentes de la carga. La anchura y el grosor de la pista de radiofrecuencia, el espacio entre la pista y la conexión a tierra junto con el tipo de sustrato afectan de igual modo al cambio de la cantidad de impedancia. En una antena en PCB, los cables coaxiales, las líneas microstrip y las guías de ondas coplanares funcionan como línea de transmisión. Las prácticas habituales implican la utilización de un circuito pasivo como red de emparejamiento para transformar la impedancia característica de la pista de radiofrecuencia y asegurar una transferencia de potencia máxima entre la fuente de emparejamiento y las impedancias de carga.

El uso de circuitos de alta velocidad en productos electrónicos que usan antenas en PCB entraña un mayor riesgo de interferencias electromagnéticas y de emisiones radiadas. El ruido de conmutación simultáneo (SSN) originado por la reducción de circuitos integrados y las frecuencias de reloj superiores de microprocesadores se traducen en autointerferencias, o en la introducción de señales que afectan negativamente la relación señal/ruido y distorsionan la señal transmitida por una antena. Del mismo modo, la antena puede originar autointerferencias en las líneas de transmisión y degradar las señales en toda la PCB.

¿Qué debería incluir un buen software de diseño de antenas?

El software diseño de antenas en PCB analiza los filtros con precisión, las líneas microstrip y los componentes pasivos que configuran una antena para PCB. El software también ayuda al diseño de antenas para PCB al mostrar las capas dieléctricas metálicas y los tipos de conectores. Para satisfacer las necesidades de diseño actuales, este software para antenas en PCB proporciona las propiedades geométricas y eléctricas de la antena para un rendimiento óptimo. El establecimiento de estas propiedades permite que el software modele la impedancia correcta de la antena y el esquema de radiación.

Un software que da una respuesta eficaz al reto del diseño de antenas de PCB

Un software que da una respuesta eficaz al reto del diseño de antenas de PCB

Altium Designer: la respuesta a los desafíos con antenas en PCB

Altium Designer incorpora Schematic Editor, PCB Editor y herramientas de análisis de integridad de la señal para controlar y lograr las impedancias necesarias para un buen rendimiento de la antena en la PCB. Schematic Editor y PCB Editor vigilan que los ajustes de impedancia se produzcan desde el pin de salida al pin de entrada deseado. Además, ambos editores sugieren la adición de componentes de finalización para lograr el ajuste en todo el circuito y los materiales o capacitores de desacople utilizados para evitar el acople de las antenas entre sí. Los equipos de diseño pueden encontrar componentes correctos que ayuden al diseño de antenas para PCB en las librerías de las bases de datos o en Altium Vault.

Las herramientas de análisis de la integridad de la señal de Altium Designer identifican las mallas que podrían tener niveles de radiación no aceptables. Estas herramientas predicen también niveles potenciales de reflejo de la señal mientras analizan, para por si acaso, los posibles componentes de finalización. La combinación de los editores, las reglas de diseño y Active Route aseguran que se genere una ruta de enrutado correcta para la señal y de que exista una ruta intacta para la corriente de retorno bajo la ruta de la señal. Con estas técnicas, Altium Designer evita que se produzcan EMI y proporcionar el mejor diseño para un rendimiento óptimo de la antena.

Mientras que la colocación de protectores en los relojes, microcontroladores y fuentes de alimentación conmutados es una solución para eliminar EMI, cualquier protección bloqueará las señales transmitidas y no debería cubrir la antena. Altium Designer puede proteger frente a autointerferencias con una combinación de reglas de diseño para enrutado y su función Active Route. Las pistas de salida del reloj deberían recorrer el plano de conexión a tierra para reducir cualquier corriente inducida por los campos de radiofrecuencia aislados y minimizar las áreas de bucle. Altium Designer también ayuda a eliminar antenas de red que pueden generar autointerferencias con la colocación óptima de los planos de conexión a tierra. Cualquier plano a tierra que se coloque directamente debajo de reloj permite formar una antena de red.

Layer Stack Manager de Altium define las capas utilizadas en diseños de placas de circuito impreso y gestiona los tipos de capas incluidos en la pila. Al diseñar una antena en PCB, los equipos pueden utilizar Layer Stack Manager para especificar cada capa para el tipo de material, el grosor y la constante dieléctrica. Altium Designer también incluye la opción de anchura definida por la impedancia característica en la regla de diseño de la anchura de enrutado. La opción aplica una ecuación estándar de la industria para traducir la impedancia a la configuración de la anchura.

Altium Designer también proporciona herramientas de composición de PCB en 3D que permiten a los equipos ver el impacto de los datos mecánicos en la antena en la PCB. Los equipos de diseño pueden importar el modelo de componentes al editor de la biblioteca y la caja al editor de PCB para llevar a cabo comprobaciones precisas de la colisión. Puesto que Altium Designer permite la colaboración ECAD y MCAD, los equipos podrán trabajar con las limitaciones físicas externas y seleccionar la forma de la placa apropiada. Con estas herramientas, los equipos de diseño realizan los ajustes necesarios para los circuitos y cajas de modo que el plástico no afecte a la constante dieléctrica.

El entorno de diseño unificado de Altium facilita el diseño de antenas para PCB

Aunque hay muchas aplicaciones de software para antenas en PCB que incorporan las herramientas necesarias, con Altium Designer tendrás las herramientas para placas de circuito y esquemáticos en un solo entorno. Hay herramientas de diseño poderosas como Layer Stack Manager y de análisis de integridad de la señal que responden a los mismos menús, comandos y teclas de función. La completa gama de herramientas en el entorno de diseño unificado de Altium incorpora funcionalidades desde esquemáticos a composición de PCB para diseñar documentación, así como de fabricación a producción.

Un entorno unificado que le asegura el diseño de sus antenas de PCB

Un entorno unificado que le asegura el diseño de sus antenas de PCB

El software innovador de Altium Designer le hará conseguir y triunfar con cualquier aspecto de sus diseños. Proporciona a sus placas de circuito la seguridad para transferirlas a producción de la forma más precisa y estable. Confía en Altium Designer para que sus componentes electrónicos queden estupendos.

Sobre el autor / Sobre la autora

Sobre el autor / Sobre la autora

Zachariah Peterson cuenta con una amplia experiencia técnica en el mundo académico y la industria. Antes de trabajar en la industria de PCB, enseñó en la Universidad Estatal de Portland. Realizó su investigación en Física MS sobre sensores de gas quimisortivo y su doctorado en Física Aplicada sobre teoría y estabilidad del láser aleatorio. Su experiencia en investigación científica abarca temas en láseres de nanopartículas, dispositivos semiconductores electrónicos y optoelectrónicos, sistemas ambientales y análisis financiero. Su trabajo ha sido publicado en varias revistas revisadas por pares y actas de conferencias, y ha escrito cientos de blogs técnicos sobre diseño de PCB para varias empresas. Zachariah trabaja con otras compañías en la industria de PCB proporcionando servicios de diseño e investigación. Es miembro de IEEE Photonics Society y de la American Physical Society.

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