Diseño de antena PCB de doble banda: Manteniendo tu EMI bajo control

Si naciste en la década de 1980 o antes, probablemente recuerdes aquellos viejos teléfonos celulares parecidos a un ladrillo y sus gigantescas antenas. Avanzando rápidamente al presente, y la mayoría de las personas ni siquiera se dan cuenta de que sus smartphones tienen antenas. Los diseños de antenas propuestos han recorrido un largo camino desde los años 80, y las nuevas antenas pueden enviar y recibir en más de una banda de frecuencia.

A medida que la industria móvil y de IoT continúa avanzando, los dispositivos electrónicos siguen utilizando protocolos de comunicación inalámbrica para enviar y recibir datos. Estos dispositivos necesitarán comunicarse en múltiples bandas de frecuencia para realizar su trabajo y los nuevos diseños de antenas seguirán apareciendo en los PCBs. Las antenas de doble banda integran dos antenas en un solo módulo y te ayudarán a ahorrar espacio valioso en tu diseño de PCB.

Antenas de Doble Banda en Tu PCB

Una antena de doble banda es una antena que puede enviar y recibir en dos bandas de frecuencia diferentes. Estas antenas pueden operar en estas diferentes frecuencias de manera individual o simultánea, dependiendo de las capacidades de la antena individual. Los diseños de antenas omnidireccionales estándar, como una monopolo, dipolo o antena de ranura, pueden modificarse para mostrar emisión de doble banda.

PCB con un módulo de antena dipolo

Las antenas de doble banda en PCBs ya están disponibles y pueden operar a 2.4 GHz y 5.8 GHz. Este tipo de antena permite que un dispositivo funcione de acuerdo con diferentes estándares IEEE y expande su rango de capacidades de comunicación más allá del WiFi. Algunos teléfonos móviles utilizan comunicación de doble banda que es independiente del WiFi.

En lugar de seleccionar un módulo de antena estándar, una antena de doble banda puede integrarse fácilmente en su dispositivo. Una antena integrada puede imprimirse directamente en el PCB y tiene costos de fabricación y ensamblaje más bajos en comparación con un módulo de antena externo. Como los módulos de antena de doble banda externos se imprimen en sus propios PCBs, diseñar e imprimir su propia antena integrada puede ayudarlo a mantener un factor de forma más pequeño.

Si diseñar una antena impresa no es lo tuyo, otra opción que mantiene un pequeño factor de forma es usar una antena de doble banda de chip cerámico en tu diseño. Estos chips son de bajo costo y hay disponibles muchas opciones de frecuencia. También están adaptados en impedancia a 50 Ohms, cumplen con los estándares de la industria y tienen una alta ganancia lineal.

Antena Impresa de Doble Banda

Imprimir una antena de doble banda directamente en tu PCB puede ser un desafío y hay una serie de aspectos de diseño que se deben considerar. Cualquier dispositivo con una alta tasa de transferencia de datos debe seguir las directrices de diseño de alta velocidad.

Si tu dispositivo va a operar en un amplio rango de temperaturas, la expansión/contracción del volumen puede causar un cambio en la frecuencia resonante de la antena. Esto cambia la potencia transmitida o recibida en la frecuencia portadora prevista.

Si usas un metal que tiene un pequeño coeficiente de expansión térmica, puedes minimizar los cambios de volumen. Es importante igualar el coeficiente térmico de tu metal y pistas al del material de la placa. Una gran discrepancia puede llevar a la delaminación o fractura a temperaturas extremas.

Una vez que hayas decidido sobre una geometría y planificado tu diseño, necesitarás hacer coincidir la impedancia. La mayoría de las antenas disponibles comercialmente ya están adaptadas a una impedancia de 50 Ohmios a 2.4 GHz, y necesitarás hacer lo mismo con tu antena personalizada. Cualquier desajuste de impedancia entre la antena y su controlador/receptor puede compensarse utilizando dos inductores y dos capacitores.

Se requiere un conocimiento básico de un Diagrama de Smith para la adaptación de impedancias en antenas. En resumen, un Diagrama de Smith ayuda a visualizar la exacta desadaptación de impedancia entre una antena y una carga. La colocación del inductor y el capacitor dependerá de la exacta desadaptación entre la impedancia de la antena y la carga.

Un par de capacitor/inductor se colocará en serie con la antena o la carga, y el otro par se colocará como elementos en derivación. La adaptación de impedancia de una banda afecta la adaptación de la otra banda, por lo que no se puede realizar la adaptación de impedancia de cada banda de manera secuencial. Colocar tus elementos en serie y en derivación requiere algo de ensayo y error y un poco de experiencia.

Cuando dices que eres un niño de corazón, espero que eso no se traduzca en tus diseños de PCB

Interferencia Electromagnética Autoinducida

Si no se implementan medidas para controlar la EMI en tu PCB, tu antena puede causar interferencia autoinducida. La interferencia autoinducida ocurre cuando un elemento radiante (como un oscilador radiante) induce una señal en algún lugar del circuito. Esto degrada la relación señal-ruido y puede distorsionar la señal enviada desde una antena transmisora. Esto fue denominado por primera vez “auto-silenciamiento” en la comunidad de radio FM y, más recientemente, fue un problema serio en chips RFID.

Los componentes electrónicos en su PCB, como relojes, microcontroladores y fuentes de alimentación conmutadas, pueden causar auto-interferencia en su PCB y degradar una o ambas señales enviadas y recibidas por su antena de doble banda. Las armónicas de orden superior en cualquiera de estos componentes pueden producir emisiones no deseadas que interfieren con la señal de la antena. De igual manera, su antena puede causar auto-interferencia en estos componentes y puede degradar señales en el resto de su PCB.

Dependiendo de la disposición de los componentes en su PCB, el blindaje puede ser una opción para prevenir la auto-interferencia. Tenga cuidado de no blindar la antena misma, ya que las señales transmitidas serán bloqueadas por el blindaje y nunca llegarán a su destino. Si su factor de forma lo permite, componentes críticos como microcontroladores y la electrónica que soporta su antena pueden ser blindados, mientras que su antena se deja sin blindaje en la misma placa.

Colocar blindaje puede no ser apropiado para todos los diseños, especialmente cuando la disposición es muy complicada. Cuando el diseño está limitado por el factor de forma, hay una serie de prácticas de diseño que pueden ayudar a reducir la susceptibilidad a la auto-interferencia y a la EMI en general.

De particular importancia es la colocación de su reloj y su plano de tierra. Es importante trazar las salidas de su reloj sobre su plano de tierra para minimizar el área de bucle, ya que esto reduce cualquier corriente inducida debido a campos de RF dispersos. Pero el plano de tierra no debe colocarse directamente debajo del reloj en sí, ya que esto forma una antena de parche alimentada por el centro. Eliminar este tipo de antenas de red es una de las mejores maneras de prevenir la auto-interferencia.

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