Diseño de Antena F Invertida para 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.

Puntos Clave: 

• Las antenas F invertida, IFA y MIFA, son antenas impresas compactas de cuarto de onda que proporcionan una radiación casi omnidireccional y se utilizan habitualmente en PCB de RF para Bluetooth/WiFi por su bajo perfil y facilidad de integración.
• La colocación correcta en la PCB es fundamental: la antena debe situarse en el borde de la placa, sin tierra ni cobre debajo, para garantizar una radiación eficiente y evitar pérdidas de rendimiento por acoplamiento con el plano de tierra.
• El diseño de una IFA no tiene una ecuación sencilla de forma cerrada, pero la antena puede modelarse mediante teoría de líneas de transmisión, con una impedancia de entrada determinada por su rama de cuarto de onda y adaptada mediante una red LC estándar.
• Las IFA pueden implementarse como vertidos de cobre o como un componente de PCB, pero crearlas como una huella, con vertidos dentro de la propia huella, mejora la reutilización y el control de colocación. Solo hay que asegurarse de definirla como Net Tie para evitar problemas de DRC.

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 de funcionamiento,como el ancho de banda, la impedancia, etc., se establecen ajustando la geometría a lo largo de la rama de cuarto de longitud de onda de la antena. A continuación, se muestra una descripción 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 esta antena 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

Por desgracia, no existen ecuaciones de diseño para una antena F invertida debido a su estructura típicamente compleja. Sin embargo, como 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 determinado.

En pimer lugar, el diseñador tiene libertad para seleccionar la impedancia de microstrip que se utilizará en el diseño de la antena F invertida. No existe 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 el vacío o en dieléctricos.

Aunque la impedancia característica de las secciones de pista 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 conocida la constante de propagación, la impedancia de entrada en la antena puede calcularse mediante un modelo de circuito, siempre que se conozca la impedancia de la pista. El modelo de circuito que aparece a continuación muestra las dos ramas en la disposición estándar de la antena de F invertida, donde una rama está cortocircuitada, Z1 = 0 Ohms, y la otra está abierta, Z2 = infinito.

Si colocas estas dos ramas en paralelo y utilizas la ecuación estándar de impedancia de entrada para cada una de ellas, obtendrás 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?

Al trabajar en tu software de diseño de PCB, ¿deberías crear su antena F invertida como un componente o como regiones de relleno de cobre? Existen buenos motivos para hacer ambas cosas, y obtendrá el mismo resultado en cualquiera de los dos casos. Personalmente, prefiero utilizar un componente para crear una antena F invertida, pero esto debe hacerse de forma que coincida con un grosor de capa externa específico y un valor de Dk determinado.

Para crear una antena F invertida como un componente, coloca 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. Asegúrate de definir el componente como un Net Tie para evitar errores de cortocircuito y posibles dudas por parte del fabricante. La desventaja es que, si se necesita actualizar la antena, estos cambios deben realizarse en la huella y, después, la huella debe actualizarse en el diseño de la PCB.

Para completar este componente, coloca un único pad como entrada en el punto de acceso de la línea de alimentación de la antena, que coincida con el pin del símbolo esquemático. A continuación, conecta el componente en un esquema igual que harías con otros componentes. Una vez actualizados los componentes en la PCB, aparecerá la huella de la antena de F invertida, que podrá colocarse y rutarse como cualquier otro componente.

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