Diseño para el Aislamiento de Antenas en Tu Sistema Inalámbrico

Cualquiera que haya desmontado un teléfono celular antiguo o diseñe dispositivos IoT sabe que estas creaciones cuentan con múltiples capacidades de comunicación, cada una requiriendo diferentes antenas. El diseñador de RF ya debería tomar precauciones para la aislación de interconexiones, pero la aislación de antenas es igual de importante al modelar y diseñar sistemas inalámbricos.

La técnica de aislación de antenas más básica simplemente requiere colocar las antenas más lejos una de la otra y diseñar la red de adaptación para proporcionar algún nivel de filtración lejos de las frecuencias operativas deseadas. En un PCB real para un dispositivo inalámbrico con múltiples protocolos de comunicación, la solución requiere ir más allá y considerar el apilado, así como ingeniar algunas estructuras de banda prohibida electromagnética para suprimir la interferencia.

Tipos de Aislación de Antenas

Las medidas de aislación de antenas deben implementarse cuando hay múltiples antenas presentes en la misma placa. La forma más simple de aislación es separar diferentes antenas en diferentes partes de la placa, ya que la radiación emitida por antenas sin reflector naturalmente disminuirá con la distancia. Esto se sigue de una afinación cuidadosa de la red de adaptación de la antena para prevenir ganancia excesiva. La aislación es recíproca, es decir, es una función tanto de las ganancias de las antenas como de la transmisión entre los dos elementos. Un valor bajo de aislación entre dos antenas significa que las antenas captan la radiación una de la otra.

Cuando decimos "tipos" de aislamiento de antena, realmente nos referimos a cómo la radiación electromagnética de una antena es recibida por otra antena. Cuando una placa real se coloca en su carcasa, el entorno para la radiación puede volverse bastante complejo. El aislamiento necesita ser diseñado para suprimir las siguientes fuentes de interferencia:

• Radiación directa: Esto implica simplemente reducir la fuerza de la radiación enviada desde una antena y recibida por otra antena. Esto es una función de la direccionalidad, sensibilidad a la polarización y cualquier elemento de blindaje.
• Resonancias de la carcasa: La radiación emitida puede excitar resonancias dentro de una carcasa, lo que luego causa interferencia entre diferentes secciones de la placa debido a reflexiones y propagación multipath. Las resonancias de la carcasa aparecen como pequeños picos en el patrón de radiación.
• Excitación del modo de guía de onda: Los modos de guía de onda de plano paralelo propagantes pueden ser excitados cuando una antena se excita y radia a ciertas frecuencias. Este problema no es el resultado de un camino de retorno mal planificado; en cambio, es un efecto que ocurre debido a la radiación de una antena. De manera similar, las ondas superficiales pueden ser excitadas por una antena radiante, particularmente antenas planares, las cuales luego pueden ser guiadas a una sección diferente de la placa gracias al contraste del índice de refracción entre el índice de refracción del sustrato y el aire.
• Acoplamiento de ruido: El ruido de una sección puede propagarse a otra como EMI. El problema con EMI entre antenas se soluciona parcialmente con una planificación inteligente del diseño.

La aislación de antenas es una medida de cuán fácilmente una antena captará radiación de otra antena, lo cual se cuantifica en términos de S12 entre los dos elementos de antena. Los objetivos de aislación típicos se establecen en al menos +20 dB, dependiendo del producto, y la aislación se puede medir con un analizador de redes vectorial. Las antenas que comparten un plano de referencia, como las antenas en un teléfono inteligente, pueden tener baja aislación debido a corrientes excitadas en el plano de tierra, lo que disminuirá la eficiencia de ambas antenas.

Aislación Contra Radiación Directa

Cuando se trata de antenas altamente direccionales, como los arreglos en fase, hay poco más que hacer que colocar cuidadosamente las antenas de modo que los lóbulos principales y secundarios no estén dirigidos directamente el uno al otro. De manera similar, al tratar con dos antenas polarizadas, simplemente se necesita orientar las antenas de tal manera que estén eléctricamente ortogonales entre sí. Sin embargo, esto no es práctico en muchos productos móviles/ IoT avanzados.

En el caso de que la radiación sea no polarizada o débilmente polarizada, y las antenas estén cerca una de la otra, la ganancia de las dos antenas y las redes de adaptación deben ser ajustadas con precisión para proporcionar el nivel adecuado de aislamiento. Redes de adaptación LC con resistencias en serie o en derivación pueden proporcionar la adaptación suficiente a un microstrip de alimentación en las frecuencias de antena relevantes; el aislamiento proporcionado por las redes de adaptación puede ser suficiente cuando las dos frecuencias de antena son bastante diferentes. Sin embargo, con radiadores de alta potencia y con antenas suficientemente cercanas entre sí, pueden ser necesarias medidas adicionales para aumentar el nivel de aislamiento.

Estructuras de Banda Prohibida Electromagnética (EBG) para Aislamiento

Incluso si nunca has oído hablar de una estructura de banda prohibida electromagnética (EBG), probablemente has oído hablar de cercas de vías. Una cerca de vías es probablemente el tipo más simple de estructura EBG que encontrarás en la mayoría de los diseños de RF, pero se pueden diseñar variaciones sobre las estructuras de cercas de vías para proporcionar aislamiento de banda ancha entre arreglos de antenas. Estas estructuras se pueden utilizar para abordar dos de los cuatro puntos de aislamiento mencionados anteriormente: supresión de ondas superficiales y supresión de modo de guía de onda.

Conceptualmente, estas estructuras pueden analizarse electrostáticamente o utilizando un modelo de circuito; ambos aspectos proporcionan una comprensión de cómo estas estructuras ayudan en la aislación. En términos de un modelo de circuito, estas estructuras pueden analizarse como filtros de banda de parada LC, produciendo una alta impedancia en la frecuencia de resonancia para la estructura. Colocar múltiples estructuras EBG en paralelo (es decir, en múltiples capas) o en serie (es decir, una al lado de la otra en la misma capa), permite que la resonancia y el ancho de banda se ajusten con precisión a los valores deseados. Además, el apilamiento en paralelo forma efectivamente un filtro de orden superior y estrecha el ancho de banda de la estructura.

Aunque las estructuras EBG ocupan más espacio en la placa que una cerca de vías, pueden diseñarse para proporcionar una aislación mucho mayor. Además de proporcionar aislación de antenas a través de la supresión de ondas superficiales y modos de guía de onda, las estructuras EBG también ayudan a suprimir el ruido de conmutación simultánea (SSN) en una PDN. Esto las hace bastante útiles para componentes analógicos que funcionan a una única frecuencia o a un pequeño número de frecuencias, pero no son tan útiles para PDNs digitales. Esto se debe a que, al igual que las señales digitales, el SSN en una PDN digital ocurre en un ancho de banda amplio. Echa un vistazo a este artículo de IEEE para obtener más información sobre las estructuras EBG.

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