Diseño de Antena Invertida-F para una PCB

Las antenas impresas son una opción muy popular para los PCBs de RF ya que mantienen el perfil bajo de un dispositivo plano. Si observas algunos MCUs con capacidad Bluetooth/WiFi, probablemente verás una antena en forma de F invertida a lo largo del borde de la placa para proporcionar Rx y Tx en un factor de forma compacto. En este artículo, mostraré cómo diseñar una de estas antenas, incluyendo algunas ecuaciones de diseño, y dónde colocar estas antenas para máxima eficiencia de radiación sin interferencias en otros circuitos.

Visión General de la Antena en F Invertida

La implementación típica de una antena en F invertida se muestra en la imagen a continuación. Este tipo de antena es una antena de cuarto de longitud de onda donde los parámetros operativos (ancho de banda, impedancia, etc.) se establecen ajustando la geometría a lo largo de la pata de cuarto de longitud de onda de la antena. A continuación, se muestra una visión general de una antena en F invertida típica.

El plano GND en L2 debe extenderse justo hasta el borde del GND en L1, y no debe haber vertido de cobre debajo de la antena. Esto permite que la antena radie casi omnidireccionalmente alrededor de la pata más larga de la antena donde la corriente no es cero. Aunque la radiación es omnidireccional y proporcionada por campos de borde, esto reduce la ganancia que se esperaría de este tipo de antena. Gracias a su casi omnidireccionalidad, estas antenas fueron anteriormente las más populares para su uso como antenas de banda única o doble banda en teléfonos móviles antiguos.

Una variación de esto es la antena invertida en F meandrada, o MIFA. Esta antena se ve más comúnmente en el módulo ESP8266, que utiliza el conocido MCU ESP32. La antena meandrada está en la capa superior e incluye un largo segmento zigzagueante que compone la sección de cuarto de onda de la antena.

Ambas antenas pueden compararse con antenas de parche, y la antena invertida en F (o sus variantes) ofrecen varias ventajas sobre una antena de parche básica:

• Las antenas invertidas en F son más pequeñas que las antenas de parche que operan en la misma longitud de onda
• Las antenas invertidas en F pueden ser alimentadas por sonda o alimentación directa siempre y cuando exista una red de adaptación
• Las antenas invertidas en F pueden hacerse multibanda aplicando más ramas
• Los anchos de banda de las antenas invertidas en F son comparables, pero los anchos de banda pueden sintonizarse más fácilmente con pasivos

La principal desventaja es la menor ganancia en comparación con una antena de parche porque las antenas de parche emiten hacia el medio plano por encima de la región de tierra. La otra desventaja es que no puedes formar antenas invertidas en F en grupos como lo harías con una matriz de antenas de parche. Por lo tanto, para sistemas de antenas más avanzados, las antenas de parche han dominado.

Ecuaciones de Diseño de Antena Invertida en F

Lamentablemente, no hay ecuaciones de diseño para una antena invertida en F debido a su estructura típicamente compleja. Sin embargo, dado que está construida a partir de líneas de transmisión, podemos adoptar un enfoque basado en circuitos para calcular la impedancia de entrada para un ancho de microstrip dado.

Primero, el diseñador tiene la libertad de seleccionar la impedancia de microstrip que se utilizará en el diseño de la antena invertida-F. No hay un requisito estricto para un ancho particular de microstrip, pero se debe notar que la impedancia podría ser muy grande, incluso superando los valores de impedancia de onda propagante en vacío o dieléctricos.

Aunque la impedancia característica de las secciones de traza es difícil de determinar, la constante de propagación y la longitud total de la antena son fáciles de determinar basándose en el objetivo de cuarto de longitud de onda y la frecuencia objetivo:

Una vez que se conoce la constante de propagación, la impedancia de entrada en la antena se puede calcular con un modelo de circuito siempre que se conozca la impedancia de la traza. El modelo de circuito a continuación muestra las dos ramas en la disposición estándar de la antena invertida-F, donde una pata está cortocircuitada (Z1 = 0 Ohms) y la otra pata está abierta (Z2 = infinito).

Si configuras estas dos patas en paralelo y usas la ecuación estándar de impedancia de entrada para cada pata, encontrarás el siguiente resultado para la impedancia de entrada de la antena:

Una vez que se conoce la impedancia de entrada, esta puede ser adaptada a la línea de alimentación de la antena con una red de adaptación de impedancia LC.

¿Componente o Relleno de Cobre?

Cuando trabaje en su software de diseño de PCB, ¿debería crear su antena invertida-F como un componente o como regiones de relleno de cobre? Hay buenas razones para hacer ambas cosas, y obtendrá el mismo resultado en cualquier caso. Personalmente, prefiero usar un componente para crear una antena invertida-F, pero esto debe hacerse para coincidir con un grosor de capa externa específico y un valor de Dk.

Para crear una antena invertida-F como un componente, coloque cada uno de los elementos de cobre en la antena como vertido en la huella del componente. Una vez que la antena esté colocada en el diseño del PCB, será más fácil mover y rotar la antena. Asegúrese de definir el componente como un Net Tie para prevenir cualquier error de cortocircuito y para evitar preguntas de su fabricante. La desventaja de esto es que, si hay alguna actualización necesaria para la antena, estas necesitan hacerse en la huella, y luego la huella necesita ser actualizada en el diseño del PCB.

Para completar este componente, coloca una sola almohadilla como entrada en el punto de alimentación de la antena que coincida con el pin en el símbolo esquemático. Luego, conecta el componente en un esquemático tal como lo harías con otros componentes. Una vez que los componentes se actualicen en el PCB, aparecerá la huella de la antena invertida-F y se podrá colocar y enrutar igual que otros componentes.

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