Design de Antena PCB Dual-Band: Mantendo sua EMI Sob Controle

Se você nasceu na década de 1980 ou antes, provavelmente se lembra daqueles antigos celulares em formato de tijolo e suas gigantes antenas. Avançando para o presente, e a maioria das pessoas nem sequer percebe que seus smartphones têm antenas. Os projetos de antenas propostos percorreram um longo caminho desde os anos 80, e as novas antenas podem enviar e receber em mais de uma faixa de frequência.

À medida que a indústria móvel e de IoT continua a avançar, os dispositivos eletrônicos continuam a usar protocolos de comunicação sem fio para enviar e receber dados. Esses dispositivos precisarão se comunicar em múltiplas faixas de frequência para desempenhar suas funções e novos designs de antenas continuarão a aparecer em PCBs. Antenas de banda dupla integram duas antenas em um único módulo e ajudarão você a economizar espaço valioso no layout do seu PCB.

Antenas de Banda Dupla no Seu PCB

Uma antena de banda dupla é uma antena que pode enviar e receber em duas faixas de frequência diferentes. Essas antenas podem operar nessas diferentes frequências individualmente ou simultaneamente, dependendo das capacidades da antena individual. Designs padrão de antenas omnidirecionais, como uma monopolo, dipolo ou antena de fenda, podem ser modificados para mostrar emissão de banda dupla.

PCB com um módulo de antena dipolo

Antenas de banda dupla em PCBs já estão disponíveis e podem operar em 2,4 GHz e 5,8 GHz. Esse tipo de antena permite que um dispositivo opere de acordo com diferentes padrões IEEE e expande seu alcance de capacidades de comunicação além do WiFi. Alguns telefones móveis usam comunicação de banda dupla que é separada do WiFi.

Em vez de selecionar um módulo de antena pronto, uma antena de banda dupla pode ser facilmente integrada ao seu dispositivo. Uma antena integrada pode ser impressa diretamente na PCB e tem custos de fabricação e montagem menores em comparação a um módulo de antena externo. Como os módulos de antena de banda dupla externos são impressos em suas próprias PCBs, projetar e imprimir sua própria antena integrada pode ajudá-lo a manter um fator de forma menor.

Se projetar uma antena impressa não é o seu forte, outra opção que mantém o fator de forma pequeno é usar uma antena de chip de cerâmica de banda dupla no seu layout. Esses chips têm baixo custo e muitas opções de frequência estão disponíveis. Eles também são compatíveis com a impedância de 50 Ohms, atendem aos padrões da indústria e têm ganho linear alto.

Antena Impressa de Banda Dupla

Imprimir uma antena de banda dupla diretamente na sua PCB pode ser desafiador e há uma série de aspectos de design que devem ser considerados. Qualquer dispositivo com alta taxa de transferência de dados deve seguir as diretrizes padrão de design de alta velocidade.

Se o seu dispositivo vai operar em uma ampla faixa de temperatura, a expansão/contração do volume pode causar uma mudança na frequência ressonante da antena. Isso altera a potência transmitida ou recebida na frequência portadora pretendida.

Se você usar um metal que tenha um pequeno coeficiente de expansão térmica, pode minimizar as mudanças de volume. É importante combinar o coeficiente térmico do seu metal e trilhas ao do material da placa. Uma grande incompatibilidade pode levar à delaminação ou fratura em temperaturas extremas.

Uma vez que você tenha decidido sobre uma geometria e planejado o seu design, você precisará combinar a impedância. A maioria das antenas disponíveis comercialmente já são combinadas para uma impedância de 50 Ohms a 2,4 GHz, e você precisará fazer o mesmo com a sua antena personalizada. Qualquer desajuste de impedância entre a antena e seu driver/receptor pode ser compensado usando dois indutores e dois capacitores.

Um entendimento básico de um Diagrama de Smith é necessário para a correspondência de impedância de antenas. Em resumo, um Diagrama de Smith ajuda a visualizar a exata incompatibilidade de impedância entre uma antena e a carga. A colocação do indutor e do capacitor dependerá da exata incompatibilidade entre a impedância da antena e da carga.

Um par de capacitor/indutor será colocado em série com a antena ou carga, e o outro par será colocado como elementos em paralelo. A correspondência de impedância de uma banda afeta a correspondência da outra banda, portanto, cada banda não pode ser ajustada em impedância sequencialmente. Colocar seus elementos em série e em paralelo requer alguma tentativa e erro e um pouco de experiência.

Quando você diz que é uma criança no coração, espero que isso não se traduza em seus designs de PCB

Interferência Eletromagnética Autoinduzida

Se medidas para controlar a EMI não forem implementadas em seu PCB, sua antena pode causar auto-interferência. A auto-interferência ocorre quando um elemento irradiante (como um oscilador irradiante) induz um sinal em algum lugar do circuito. Isso degrada a relação sinal-ruído e pode distorcer o sinal enviado de uma antena transmissora. Isso foi inicialmente denominado "auto-silenciamento" na comunidade de rádio FM e, mais recentemente, foi um problema sério em chips de RFID.

Componentes eletrônicos na sua PCB, como relógios, microcontroladores e fontes de alimentação chaveadas, podem causar auto-interferência na sua PCB e degradar um ou ambos os sinais enviados e recebidos pela sua antena de banda dupla. Harmônicas de ordem superior em qualquer um desses componentes podem produzir emissões indesejadas que interferem no sinal da antena. Da mesma forma, sua antena pode causar auto-interferência nesses componentes e pode degradar sinais no restante da sua PCB.

Dependendo do arranjo dos componentes na sua PCB, blindagem pode ser uma opção para prevenir a auto-interferência. Tenha cuidado para não blindar a própria antena, pois os sinais transmitidos serão bloqueados pela blindagem e nunca alcançarão seu destino. Se o fator de forma permitir, componentes críticos como microcontroladores e a eletrônica que suporta sua antena podem ser blindados, enquanto sua antena fica sem blindagem na mesma placa.

Colocar blindagem pode não ser apropriado para todos os designs, especialmente quando o layout é muito complicado. Quando o design é limitado pelo fator de forma, há uma série de práticas de design que podem ajudar a reduzir a suscetibilidade à auto-interferência e à EMI em geral.

De particular importância é o posicionamento do seu relógio e seu plano de terra. É importante conduzir trilhas de saída do seu relógio sobre seu plano de terra para minimizar a área de loop, pois isso reduz qualquer corrente induzida devido a campos RF dispersos. Mas o plano de terra não deve ser colocado diretamente abaixo do próprio relógio, pois isso forma uma antena patch alimentada pelo centro. Eliminar esses tipos de antenas de rede é uma das melhores maneiras de prevenir a auto-interferência.

Com funcionalidades avançadas e uma extensa biblioteca de componentes que permitem implementar antenas de banda dupla no seu design de PCB, Altium Designer pode incentivar seu projeto. Ele também possui ferramentas CAD excelentes que permitem projetar sua própria antena de banda dupla.

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