¿Necesitan todas las antenas un plano de tierra?

Una de las preguntas más comunes que he visto, tanto en términos de diseño de PCB como en lo que respecta a sistemas RF en general, está relacionada con el uso de tierra cerca de una antena. Como he detallado en otros artículos, y como es bien sabido, un conductor conectado a tierra generalmente proporciona cierta protección contra las ondas electromagnéticas que de otro modo se propagarían en un material. De hecho, el conductor no necesita conectarse literalmente a tierra (el suelo), solo necesita ser lo suficientemente grande para actuar como una fuente/sumidero fuerte de carga excesiva para neutralizar una onda entrante.

Ya sea que estemos hablando de EMI o ruido originado por una interconexión cercana, o estemos hablando de un emisor grande en un PCB, los efectos de la tierra pueden ser los mismos y la presencia de tierra cerca de una antena influirá en las características de radiación del emisor. La respuesta simple a la pregunta de "¿necesita una antena un plano de tierra?" es "depende;" detallaré por qué en este artículo.

Cómo Afecta la Tierra a la Radiación

No todas las antenas necesitan un plano de tierra. Algunas antenas están diseñadas sobre un plano de tierra para producir un patrón de radiación específico, controlar la impedancia de entrada de la antena, o por razones prácticas de implementación.

Eléctricamente, la función de un plano de tierra debajo de una antena es crear un emisor de imagen en la región del suelo. Esto se utiliza para satisfacer las condiciones de contorno electromagnéticas, donde el campo eléctrico termina en cero en el plano de tierra. Una antena que está sobre un plano de tierra solo emitirá en la región por encima del suelo. Esto determinará el patrón de radiación que se vería desde la antena.
Un ejemplo de patrón de radiación de una pequeña antena de parche se muestra a continuación. En este ejemplo, la antena de parche sigue las pautas estándar y se coloca sobre un plano de tierra. Como podemos ver, la emisión es solo en la región por encima de la antena.

Conceptualmente, esto debería esperarse, y ocurre porque el plano de tierra actúa como un emisor de magnitud igual y polaridad opuesta que superpone su radiación en la antena. El plano de tierra está reflejando esencialmente la radiación del plano de tierra conductor, por lo que cualquier radiación que viaje hacia el plano de tierra será reflejada y permanecerá en la región por encima del plano de tierra.

Con todo esto en mente, hay antenas impresas que pueden colocarse en un PCB como un elemento impreso y que no requieren tierra. Estas son comúnmente antenas de traza, como una antena invertida-F o una antena de traza de cuarto de onda.

Si miras los diseños de referencia u otras guías en línea, a menudo verás que estos están diseñados sobre una región en la PCB donde se ha eliminado completamente el suelo. La idea es permitir que la antena emita en cualquier dirección. Sin embargo, otras antenas deben tener tierra directamente debajo de ellas para poder diseñar el patrón de radiación deseado.

Algunas Antenas Deben Tener Tierra

Una vez que nos alejamos de las antenas monopolo, dipolo y de bucle, podemos ver algunos ejemplos en PCBs de antenas que deben tener un plano de tierra para ser efectivas. Hay dos ejemplos simples que destacaré aquí:

1. Arreglos de antenas de parche
2. Emisores de ranura o borde

Nota que hay muchos más estilos de antenas que podrías imaginar que no son arreglos de parche o emisores de borde/ranura. Mientras tengas un simulador de alta frecuencia (HFSS o openEMS para los aficionados al código abierto), puedes calcular las características de radiación de tu antena.

Primero, consideremos las antenas de parche y los arreglos de antenas de parche. Una antena de parche individual es básicamente una cavidad resonante abierta sobre un plano de tierra, y estas antenas emiten alrededor del borde del parche. Cuando se colocan en un arreglo, el microstrip que se conecta a los parches en el arreglo requiere un valor de impedancia específico para asegurar una alta eficiencia de radiación. Por lo tanto, necesitamos la tierra por dos razones: para establecer la impedancia del microstrip y los eigenmodos de la antena (frecuencias resonantes).

A continuación, veamos los emisores de ranura y borde. Son poco comunes, pero son fáciles de diseñar con un microstrip, guía de onda integrada en sustrato, línea de transmisión coplanar con tierra, o incluso una guía de onda con ranura. En este caso, la antena de ranura es en realidad un recorte en la red de tierra, y la antena funciona irradiando a través de la ranura. Un ejemplo simple es una antena de ranura acoplada a microstrip mostrada a continuación; el microstrip de entrada tiene una impedancia controlada y necesita tierra en L2.

Una antena de emisión lateral es simple; solo coloca una apertura en el borde de la estructura que guía la propagación. A continuación, se muestra un ejemplo con una guía de onda integrada en el sustrato. La coincidencia de condiciones de contorno en el borde puede ser difícil si no sabes cómo resolver ecuaciones diferenciales, pero ese es un tema para otro artículo. Echa un vistazo a la placa de prueba a continuación para ver cómo esto puede implementarse con una guía de onda integrada en el sustrato.

Debido a que a veces puede haber dificultades para calcular las condiciones de operación para algunas antenas, es probable que los diseñadores opten por seguir un diseño de referencia o la nota de aplicación de un fabricante. Aunque generalmente les digo a las personas que tengan cuidado con estas notas, diré que las directrices de tierra en la región de la antena son muy probablemente correctas y vale la pena seguirlas.

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