Design de Antena Invertida-F para uma PCB

Antenas impressas são uma opção muito popular para PCBs RF, pois mantêm o perfil baixo de um dispositivo plano. Se você olhar para alguns MCUs com capacidade Bluetooth/WiFi, provavelmente verá uma antena invertida em F ao longo da borda da placa para fornecer Rx e Tx em um fator de forma compacto. Neste artigo, mostrarei como projetar uma dessas antenas, incluindo algumas equações de design, e onde colocar essas antenas para máxima eficiência de radiação sem interferência em outros circuitos.

Visão Geral da Antena Invertida em F

A implementação típica de uma antena invertida em F é mostrada na imagem abaixo. Esse tipo de antena é uma antena de quarto de onda, onde os parâmetros operacionais (largura de banda, impedância, etc.) são definidos ajustando a geometria ao longo da perna de quarto de onda da antena. Uma visão geral de uma antena invertida em F típica é mostrada abaixo.

O plano de GND no L2 deve ir até a borda do GND no L1, e não deve haver derramamento de cobre abaixo da antena. Isso permite que a antena irradie quase omnidirecionalmente ao redor da perna mais longa da antena, onde a corrente não é zero. Embora a radiação seja omnidirecional e fornecida por campos de franja, isso reduz o ganho que se esperaria desse tipo de antena. Graças à sua quase omnidirecionalidade, essas antenas foram anteriormente as mais populares para uso como antenas de banda única ou dupla em antigos aparelhos móveis.

Uma variação disso é a antena invertida em F meandrada, ou MIFA. Esta antena é mais comumente vista no módulo ESP8266, que usa o bem conhecido MCU ESP32. A antena meandrada está na camada superior e inclui um longo segmento em zigue-zague que compõe a seção de quarto de onda da antena.

Ambas essas antenas podem ser comparadas a antenas de patch, e a antena invertida em F (ou suas variantes) oferece várias vantagens sobre uma antena de patch básica:

• Antenas invertidas em F são menores do que antenas de patch operando na mesma frequência
• Antenas invertidas em F podem ser alimentadas por sonda ou alimentação direta, desde que haja uma rede de casamento
• Antenas invertidas em F podem se tornar multibanda ao aplicar mais ramificações
• A largura de banda das antenas invertidas em F é comparável, mas as larguras de banda podem ser mais facilmente ajustadas com passivos

A principal desvantagem é o ganho menor comparado a uma antena de patch, porque as antenas de patch emitem para o meio plano acima da região do solo. A outra desvantagem é que você não pode formar antenas invertidas em F em grupos como faria com um arranjo de antenas de patch. Portanto, para sistemas de antenas mais avançados, as antenas de patch têm dominado.

Equações de Design da Antena Invertida em F

Infelizmente, não existem equações de design para uma antena invertida em F devido à sua estrutura tipicamente complexa. No entanto, como é construída a partir de linhas de transmissão, podemos adotar uma abordagem baseada em circuitos para calcular a impedância de entrada para uma largura de microstrip dada.

Primeiro, o designer tem a liberdade de selecionar a impedância do microstrip a ser usada no design da antena invertida-F. Não há uma exigência estrita para uma largura específica de microstrip, mas deve-se notar que a impedância pode ser muito grande, até mesmo superando os valores de impedância de onda propagante no vácuo ou dielétricos.

Embora a impedância característica das seções de trilha seja difícil de determinar, a constante de propagação e o comprimento total da antena são fáceis de determinar com base no alvo de um quarto de comprimento de onda e na frequência alvo:

Uma vez que a constante de propagação é conhecida, a impedância de entrada na antena pode ser calculada com um modelo de circuito, desde que a impedância da trilha seja conhecida. O modelo de circuito abaixo mostra os dois ramos na disposição padrão da antena invertida-F, onde uma perna é curta (Z1 = 0 Ohms) e a outra perna é aberta (Z2 = infinito).

Se você configurar essas duas pernas em paralelo e usar a equação padrão de impedância de entrada para cada perna, você encontrará o seguinte resultado para a impedância de entrada da antena:

Uma vez que a impedância de entrada é conhecida, ela pode então ser combinada com a linha de alimentação da antena com uma rede de casamento de impedância LC.

Componente ou Preenchimento de Cobre?

Ao trabalhar no seu software de layout de PCB, você deve criar sua antena invertida em F como um componente ou como regiões de preenchimento de cobre? Há boas razões para fazer ambos, e você obterá o mesmo resultado em qualquer caso. Pessoalmente, prefiro usar um componente para criar uma antena invertida em F, mas isso tem que ser feito para corresponder a uma espessura de camada externa específica e um valor de Dk.

Para criar uma antena invertida em F como um componente, coloque cada um dos elementos de cobre na antena como um preenchimento no footprint do componente. Uma vez que a antena é colocada no layout da PCB, será mais fácil movê-la e rotacioná-la. Certifique-se de definir o componente como um Net Tie para evitar quaisquer erros de curto-circuito e para evitar perguntas do seu fabricante. A desvantagem disso é que, se houver alguma atualização necessária para a antena, estas precisam ser feitas no footprint, e então o footprint precisa ser atualizado no layout da PCB.

Para completar este componente, coloque um único pad como entrada no ponto de alimentação da antena que corresponda ao pino no símbolo esquemático. Em seguida, conecte o componente em um esquemático assim como você faria com outros componentes. Uma vez que os componentes sejam atualizados na PCB, a pegada da antena invertida em F aparecerá, e ela pode ser colocada e roteada como outros componentes.

Sempre que precisar desenhar e colocar uma antena invertida em F na sua disposição de PCB, use as ferramentas CAD 2D e 3D no Altium Designer®. Quando você terminar seu projeto e quiser liberar os arquivos para seu fabricante, a plataforma Altium 365™ facilita a colaboração e o compartilhamento de seus projetos.

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