Cómo diseñar un alimentador de sonda coaxial para una antena de parche

La implementación de una antena de parche en un PCB requiere conexión con otro componente o módulo externo. Esta conexión se coloca muy a menudo como una línea de microstrip, posiblemente con una línea de adaptación de cuarto de longitud de onda, como en arreglos de antenas de parche para sistemas inalámbricos avanzados. Existe otro método que involucra un conector SMA u otro coaxial, pero no en la misma capa que la antena.

Las antenas de parche alimentadas por coaxial implican el uso de una antena de parche en un lado del PCB, mientras que la línea de alimentación se traza en el lado posterior del PCB. La conexión entre las dos capas se implementa utilizando un vía. Este artículo mostrará las principales ecuaciones de diseño para implementar este tipo de método de línea de alimentación, así como un ejemplo simple de este tipo de módulo.

Alimentación Coaxial a una Antena de Parche

La alimentación coaxial a una antena de parche implica la colocación de la antena de parche y su elemento de línea de alimentación en dos capas diferentes. Normalmente, colocaríamos el parche en la capa superior y la conexión de la línea de alimentación en la capa inferior. La línea de alimentación se conectaría entonces a la PCB a través de un conector coaxial SMD vertical (por ejemplo, un conector SMA vertical como 73251-1350 de Molex), y un vía interna dirigiría la señal inyectada hacia la antena de parche.

Como podemos ver arriba, la coordenada donde la antena de parche se conecta al vía no está ubicada en el centro de la antena. Esto es intencional porque la impedancia de la antena varía a través de la superficie de la antena de parche. Por lo tanto, queremos conectar la sonda en un lugar donde la impedancia de entrada en la antena coincida con la impedancia del cable/coaxial del conector. Para hacer esto, primero necesitamos la impedancia de la antena en el borde de la antena, y podemos usar esto para determinar la ubicación de la alimentación.

Ecuaciones de Diseño de Alimentación Coaxial

El conjunto estándar de ecuaciones de diseño para antenas de parche alimentadas por el extremo se utiliza para dimensionar el parche usado en este tipo de diseño. Una vez completado esto, se puede determinar la ubicación de la alimentación coaxial. Para encontrar las ecuaciones de diseño para las dimensiones del parche y la impedancia del parche con alimentación por el borde se pueden encontrar en otro artículo (enlace abajo). También puedes usar nuestro calculador de antenas de parche:

• Ver ecuaciones de diseño de antenas de parche y calculador

Una vez que se han encontrado la impedancia del parche y la longitud, estas necesitan ser utilizadas para determinar la ubicación de la línea de alimentación insertada. Normalmente, estamos utilizando un cable coaxial y un conector con impedancia coincidente (normalmente a 50 Ohms). Esta es nuestra impedancia objetivo con la que nos gustaría hacer coincidir la antena de parche. En alguna ubicación a lo largo de la dirección x (ver abajo), habrá un lugar particular donde la impedancia de la antena será de 50 Ohms. Esta es la ubicación donde se conectará la línea de alimentación.

La ubicación de la coordenada x se encuentra con la ecuación mostrada a continuación.

En resumen, el proceso de diseño para la colocación de la sonda coaxial es simple:

1. Seleccione una frecuencia de operación y configuración de capas
2. Utilice la frecuencia y el grosor de capa/valor Dk para determinar el tamaño de la antena
3. Calcule la impedancia de entrada en el borde para la antena
4. Utilice la ecuación anterior para calcular la coordenada x para la ubicación de la sonda

Cómo diseñar la configuración de capas

La primera imagen arriba implica que la única configuración de capas permitida para este tipo de conexión es una placa de 2 capas, donde la antena está en la capa superior y el plano de tierra de la antena está en la capa inferior. Aunque ciertamente se puede usar una placa estándar de 62 mil de espesor y 2 capas, esto no es un requisito estricto. El beneficio de usar más de dos capas proviene de la capacidad de usar componentes digitales y señales de alta velocidad en el lado posterior del PCB, mientras que la antena está aislada en el lado opuesto del PCB.

Eche un vistazo al ejemplo de apilamiento a continuación. En este apilamiento, podríamos colocar GND en L2 y L3 ya que esto permitiría la colocación y el enrutamiento de señales en L4. Cuando la antena se coloca en L1, el grosor debajo de L1 (4 mils en este caso) sería el valor utilizado para el grosor del sustrato en las ecuaciones de diseño de la antena de parche. También se podrían usar más capas internas si se desea.

Haciendo la Conexión en Herramientas CAD

El ejemplo a continuación utiliza el apilamiento de 4 capas mostrado arriba, con un conector SMA en L4 y la antena en L1; L2 y L3 son tierra. Para hacer la conexión a la antena de parche, se debe colocar un vía directamente desde el centro del conector SMA, y este debe ser rellenado + tapado para que el SMA pueda ser soldado en la almohadilla del vía.

Este tipo de vía será aceptable hasta aproximadamente 5 GHz. Más allá de ese nivel, la estructura del vía necesitará ser optimizada a una impedancia objetivo de 50 Ohm con vías de conexión, lo que podría afectar la propagación de la señal y los modos en el interior de la antena de parche. Esto se debe a que la impedancia del vía diverge, como he discutido en este artículo.

En un próximo artículo y video, mostraré un módulo de ejemplo que utiliza una antena de parche para transmitir en alta frecuencia, e incluirá un conjunto de circuitos en la capa trasera que usan la línea de alimentación a través del lado posterior del PCB. También mostraré cómo configurar un estilo de vía a través de la capa trasera que puede manejar frecuencias mucho más altas en el próximo video.

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