Todas as Antenas Precisam de um Plano de Terra?

Uma das perguntas mais comuns que tenho visto, tanto em termos de design de PCB quanto em relação a sistemas RF em geral, está relacionada ao uso de terra perto de uma antena. Como detalhei em outros artigos, e como é de fato bem conhecido, um condutor aterrado geralmente oferece alguma proteção contra ondas eletromagnéticas que, de outra forma, se propagariam para um material. Na verdade, o condutor não precisa estar literalmente conectado ao solo (terra), ele apenas precisa ser grande o suficiente para atuar como uma fonte/dreno forte de carga excessiva para neutralizar uma onda que chega.

Seja falando sobre EMI ou ruído originado de uma interconexão próxima, ou estamos falando sobre um grande emissor em um PCB, os efeitos do terra podem ser os mesmos e a presença de terra perto de uma antena influenciará as características de radiação do emissor. A resposta simples para a pergunta "uma antena precisa de um plano de terra" é "depende;" Detalharei o porquê neste artigo.

Como o Terra Afeta a Radiação

Nem todas as antenas precisam de um plano de terra. Algumas antenas são projetadas acima de um plano de terra para produzir um padrão de radiação específico, controlar a impedância de entrada da antena ou por razões práticas de implementação.

Eletricamente, a função de um plano de terra abaixo de uma antena é criar um emissor de imagem na região do solo. Isso é usado para satisfazer as condições de contorno eletromagnéticas, onde o campo elétrico termina em zero no plano de terra. Uma antena que está acima de um plano de terra emitirá apenas para a região acima do solo. Isso determinará o padrão de radiação que seria visto a partir da antena.
Um exemplo de padrão de radiação de uma pequena antena patch é mostrado abaixo. Neste exemplo, a antena patch segue as diretrizes padrão e é colocada sobre um plano de terra. Como podemos ver, a emissão é apenas para a região acima da antena.

Conceitualmente, isso deve ser esperado, e ocorre porque o plano de terra age como um emissor de magnitude igual, mas de polaridade oposta que superpõe sua radiação na antena. O plano de terra está essencialmente refletindo radiação do plano de terra condutivo, então qualquer radiação que viaje em direção ao plano de terra será refletida e permanecerá na região acima do plano de terra.

Com tudo isso em mente, existem antenas impressas que podem ser colocadas em um PCB como um elemento impresso e que não requerem terra. Essas são comumente antenas de traço, como uma antena invertida-F ou uma antena de traço de quarto de onda.

Se você olhar para projetos de referência ou algumas outras diretrizes online, frequentemente verá que estes são projetados sobre uma região na PCB onde a terra foi totalmente removida. A ideia é permitir que a antena emita em qualquer direção. Outras antenas, no entanto, devem ter terra diretamente abaixo delas para engenhar o padrão de radiação desejado.

Algumas Antenas Precisam de Terra

Uma vez que nos afastamos de antenas monopolo, dipolo e de loop, podemos ver alguns exemplos em PCBs de antenas que precisam de um plano de terra para serem eficazes. Há dois exemplos simples que destacarei aqui:

1. Arranjos de antenas patch
2. Emissores de borda ou fenda

Note que há muitos mais estilos de antenas que você poderia imaginar que não são arranjos patch ou emissores de borda/fenda. Contanto que você tenha um simulador de alta frequência (HFSS ou openEMS para a comunidade de código aberto), você pode calcular as características de radiação da sua antena.

Primeiro, considere antenas de patch e arranjos de antenas de patch. Uma antena de patch individual é basicamente uma cavidade ressonante aberta acima de um plano de terra, e essas antenas emitem ao redor da borda do patch. Quando colocadas em um arranjo, o microstrip conectando os patches no arranjo requer um valor de impedância específico para garantir alta eficiência de radiação. Portanto, precisamos do plano de terra por dois motivos: para definir a impedância do microstrip e os modos próprios da antena (frequências ressonantes).

Em seguida, vamos olhar para emissores de slot e de borda. Eles são incomuns, mas são fáceis de projetar com um microstrip, guia de onda integrado ao substrato, linha de transmissão coplanar com terra, ou até mesmo um guia de onda com slot. Neste caso, a antena de slot é na verdade um recorte na rede de terra, e a antena funciona irradiando através do slot. Um exemplo simples é uma antena de slot acoplada por microstrip mostrada abaixo; o microstrip de entrada é controlado por impedância e precisa de terra em L2.

Uma antena de emissão lateral é simples; basta colocar uma abertura na borda da estrutura que guia a propagação. Um exemplo com um guia de onda integrado ao substrato é mostrado abaixo. A correspondência de condição de contorno na borda pode ser difícil se você não souber como resolver equações diferenciais, mas isso é um tópico para outro artigo. Dê uma olhada na placa de teste abaixo para ver como isso pode ser implementado com um guia de onda integrado ao substrato.

Como às vezes pode haver dificuldade em calcular as condições operacionais para algumas antenas, os projetistas tendem a seguir o caminho de adotar um design de referência ou a nota de aplicação do fabricante. Embora eu geralmente diga às pessoas para terem cuidado com essas notas, direi que as diretrizes de aterramento na região da antena são provavelmente corretas e valem a pena ser seguidas.

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