Projetando para Isolamento de Antena em Seu Sistema Sem Fio

Qualquer pessoa que já desmontou um celular antigo ou projeta dispositivos IoT sabe que múltiplas capacidades de comunicação estão presentes nesses designs, cada uma exigindo diferentes antenas. O projetista de RF já deve tomar precauções para isolamento de interconexões, mas o isolamento de antenas é igualmente importante ao modelar e projetar sistemas sem fio.

A técnica mais básica de isolamento de antenas simplesmente requer colocar as antenas mais distantes uma das outras e projetar a rede de casamento para fornecer algum nível de filtragem longe das frequências operacionais desejadas. Em uma PCB real para um dispositivo sem fio com múltiplos protocolos de comunicação, a solução exige ir além e considerar o empilhamento, bem como engenhar algumas estruturas de banda proibida eletromagnética para suprimir interferências.

Tipos de Isolamento de Antena

Medidas de isolamento de antena devem ser implementadas quando múltiplas antenas estão presentes na mesma placa. A forma mais simples de isolamento é separar diferentes antenas em diferentes partes da placa, pois a radiação emitida por antenas sem refletor naturalmente diminui com a distância. Isso é seguido pelo ajuste cuidadoso da rede de casamento da antena para evitar ganho excessivo. O isolamento é recíproco, ou seja, é uma função tanto dos ganhos das antenas quanto da transmissão entre os dois elementos. Um valor baixo de isolamento entre duas antenas significa que as antenas captam a radiação uma da outra.

Quando dizemos "tipos" de isolamento de antena, estamos realmente nos referindo a como a radiação eletromagnética de uma antena é recebida por outra antena. Quando uma placa real é colocada em sua caixa, o ambiente para radiação pode se tornar bastante complexo. O isolamento precisa ser projetado para suprimir as seguintes fontes de interferência:

• Radiação direta: Isso envolve simplesmente reduzir a força da radiação enviada de uma antena e recebida por outra antena. Isso é uma função da direcionalidade, sensibilidade à polarização e quaisquer elementos de blindagem.
• Ressonâncias da caixa: A radiação emitida pode excitar ressonâncias dentro de uma caixa, o que então causa interferência entre diferentes seções da placa devido a reflexões e propagação multipath. Ressonâncias da caixa aparecem como pequenos picos no padrão de radiação.
• Excitação do modo de guia de onda: Modos de guia de onda de plano paralelo propagando podem ser excitados quando uma antena é excitada e irradia em certas frequências. Este problema não é o resultado de um caminho de retorno mal planejado; em vez disso, é um efeito que ocorre devido à radiação de uma antena. Da mesma forma, ondas superficiais podem ser excitadas por uma antena irradiante, particularmente antenas planares, que podem então ser guiadas para uma seção diferente da placa graças ao contraste do índice de refração entre o índice de refração do substrato e o ar.
• Acoplamento de Ruído: O ruído de uma seção pode se propagar para outra seção como EMI. O problema com EMI entre antenas é parcialmente resolvido com um planejamento inteligente do layout.

A isolamento de antena é uma medida de quão facilmente uma antena captará radiação de outra antena, o que é quantificado em termos de S12 entre os dois elementos da antena. Os objetivos típicos de isolamento são definidos para pelo menos +20 dB, dependendo do produto, e o isolamento pode ser medido com um analisador de rede vetorial. Antenas que compartilham um plano de referência, como antenas em um smartphone, podem ter baixo isolamento devido a correntes excitadas no plano de terra, o que diminuirá a eficiência de ambas as antenas.

Isolamento Contra Radiação Direta

Ao lidar com antenas altamente direcionais, como arranjos em fase, pouco mais se pode fazer do que posicionar cuidadosamente as antenas de modo que os lóbulos principais e laterais não estejam apontados diretamente um para o outro. Da mesma forma, ao lidar com duas antenas polarizadas, as duas antenas simplesmente precisam ser orientadas de forma que estejam eletricamente ortogonais uma à outra. No entanto, isso não é prático em muitos produtos avançados de mobilidade/IoT.

No caso em que a radiação é não polarizada ou fracamente polarizada, e as antenas estão próximas uma da outra, o ganho das duas antenas e as redes de casamento devem ser precisamente ajustados para fornecer o nível correto de isolamento. Redes de casamento LC com resistores em série ou em paralelo podem fornecer o casamento suficiente para um microstrip de alimentação nas frequências de antena relevantes; o isolamento fornecido pelas redes de casamento pode ser suficiente quando as frequências das duas antenas são bastante diferentes. No entanto, com radiadores de alta potência e com antenas suficientemente próximas, medidas adicionais podem ser necessárias para aumentar o nível de isolamento.

Estruturas de Banda Proibida Eletromagnética (EBG) para Isolamento

Mesmo que você nunca tenha ouvido falar de uma estrutura de banda proibida eletromagnética (EBG), provavelmente já ouviu falar de cercas de vias. Uma cerca de vias é provavelmente o tipo mais simples de estrutura EBG que você encontrará na maioria dos projetos de RF, mas variações nas estruturas de cercas de vias podem ser projetadas para fornecer isolamento de banda larga entre arranjos de antenas. Essas estruturas podem ser usadas para abordar dois dos quatro pontos de isolamento listados acima: supressão de onda superficial e supressão de modo de guia de onda.

Conceitualmente, essas estruturas podem ser analisadas eletrostaticamente ou usando um modelo de circuito; ambos os aspectos fornecem uma compreensão de como essas estruturas auxiliam na isolamento. Em termos de um modelo de circuito, essas estruturas podem ser analisadas como filtros LC bandstop, produzindo alta impedância na frequência de ressonância para a estrutura. Colocar múltiplas estruturas EBG em paralelo (ou seja, em múltiplas camadas) ou em série (ou seja, uma ao lado da outra na mesma camada), permite que a ressonância e a largura de banda sejam precisamente ajustadas para os valores desejados. Além disso, o empilhamento em paralelo forma efetivamente um filtro de ordem superior e estreita a largura de banda da estrutura.

Embora as estruturas EBG ocupem mais espaço na placa do que uma cerca de vias, elas podem ser projetadas para fornecer muito mais isolamento. Além de fornecer isolamento de antena através da supressão de onda superficial e modo de guia de onda, as estruturas EBG também ajudam a suprimir o ruído de comutação simultânea (SSN) em um PDN. Isso as torna bastante úteis para componentes analógicos que operam em uma única frequência ou um pequeno número de frequências, mas não são tão úteis para PDNs digitais. Isso ocorre porque, como os sinais digitais, o SSN em um PDN digital ocorre em uma larga banda. Dê uma olhada neste artigo da IEEE para mais informações sobre estruturas EBG.

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