Projeto de antenas em pequenos espaços

Projeto de antenas em produtos compactos exige considerar o equipamento completo: PCB, caixa, bateria, blindagens, conectores e outros circuitos de radiofrequência alteram o comportamento da antena.

Em muitos produtos eletrônicos, a antena divide espaço com bateria, display, conectores, blindagens, partes metálicas da caixa e outros circuitos de radiofrequência. Tudo isso pode alterar sua frequência de ressonância, eficiência e diagrama de radiação.

Na ECK já trabalhamos com diferentes soluções de antena em PCB e antenas em chip. Em um dos desenvolvimentos, por exemplo, foi necessário integrar três antenas em um equipamento com dimensões próximas às de um cartão de crédito, sendo uma das soluções destinada a duas faixas de frequência, envolvendo Wi-Fi e GPS.

Este artigo reúne algumas observações práticas sobre escolha, posicionamento, layout e teste de antenas em produtos eletrônicos compactos.

Projeto de antenas: fundamentos e comportamento

De forma simplificada, uma antena realiza a conversão entre sinais elétricos e campos eletromagnéticos.

No transmissor, o sinal elétrico percorre a linha de transmissão até chegar à antena, onde parte da energia é convertida em onda eletromagnética.

No receptor, ocorre o processo inverso: a energia eletromagnética captada pela antena é convertida em um sinal elétrico que segue para o circuito de recepção.

Na prática, porém, o comportamento da antena depende fortemente do ambiente onde ela está instalada.

Diagrama de radiação e diretividade

Uma característica importante é o modo como a energia é irradiada no espaço.

Uma antena pode apresentar um lóbulo principal, lóbulos secundários e um lóbulo traseiro. Isso significa que duas antenas com valores semelhantes de ganho podem apresentar comportamentos muito diferentes dependendo da direção em que se deseja transmitir ou receber o sinal.

Por isso, além do ganho, é importante verificar a diretividade e o padrão de radiação.

Uma antena patch de GPS, por exemplo, possui características muito diferentes de uma antena projetada para irradiar de forma mais uniforme ao redor do equipamento.

O que considerar na escolha de uma antena?

A escolha da antena deve considerar o produto completo e não apenas a frequência de operação.

Entre os principais fatores estão eficiência, ganho, largura de banda, diretividade, dimensões físicas, plano de terra necessário, posição na PCB e comportamento da antena quando instalada dentro da caixa definitiva.

Também é necessário avaliar a faixa de frequência efetivamente coberta pela antena.

Em produtos compactos, uma antena com faixa de operação mais ampla pode oferecer maior tolerância às alterações provocadas pela mecânica, materiais da caixa e proximidade de componentes.

A mecânica da caixa interfere na antena

A antena não deve ser analisada isoladamente da mecânica.

Materiais plásticos, espessura da caixa, parafusos, suportes metálicos, baterias, blindagens e outros componentes próximos podem alterar a frequência de ressonância e a eficiência.

Por esse motivo, uma antena que funciona corretamente na placa de avaliação do fabricante pode apresentar comportamento diferente quando instalada no produto final.

Sempre que possível, a validação deve ser feita com a placa montada na mesma posição em que será utilizada e dentro da caixa definitiva.

Posição da antena e distribuição dos componentes

A distribuição dos componentes na PCB também influencia o desempenho.

Uma regra prática é evitar componentes altos ou partes metálicas próximas à região da antena, principalmente quando o fabricante especifica uma área de keep-out ou uma região sem plano de terra.

Algumas antenas são projetadas para trabalhar na extremidade da placa. Outras podem ser instaladas em posições diferentes, desde que sejam respeitados o plano de terra e as recomendações do fabricante.

Os fabricantes normalmente fornecem placas de avaliação e desenhos de referência que mostram dimensões, área de GND, região sem cobre, linha de alimentação e circuito de matching.

Esses documentos são uma boa base para o início do layout.

O tamanho da PCB também faz parte da antena

Em muitos projetos, principalmente com antenas chip, o plano de terra da PCB participa diretamente do funcionamento do conjunto.

Por isso, reduzir ou aumentar significativamente a placa em relação à referência do fabricante pode alterar a sintonia e a eficiência.

Esse efeito é particularmente importante quando se tenta reutilizar o mesmo modelo de antena em equipamentos com dimensões muito diferentes.

A influência do ambiente de uso

O produto deve ser avaliado na condição real de utilização.

Existem antenas cujo comportamento é alterado quando o equipamento fica próximo ao corpo humano, a estruturas metálicas ou a outros materiais com características dielétricas diferentes.

Portanto, a escolha da antena envolve um compromisso entre espaço, custo, eficiência, alcance e condições reais de instalação.

Componentes para circuitos de RF

Os componentes utilizados no circuito de RF também merecem atenção.

Em circuitos de matching, é recomendável utilizar componentes adequados à frequência de trabalho e observar características como estabilidade, tolerância e comportamento em alta frequência.

Mesmo um capacitor com o mesmo valor nominal de outro componente genérico pode apresentar comportamento diferente em RF.

Por isso, a seleção de fornecedores e componentes deve fazer parte da estratégia do projeto.

Duas partes do sistema de antena

Podemos dividir o projeto de uma antena em duas partes principais:

1. O caminho elétrico entre o transmissor ou receptor e a antena, incluindo linha de transmissão, conectores e circuito de matching.

2. A transformação entre o sinal elétrico e a onda eletromagnética, determinada pela antena e pelo ambiente ao seu redor.

Essa separação ajuda a entender por que um sistema pode apresentar bom VSWR e, ainda assim, ter desempenho de alcance abaixo do esperado.

Impedância da linha de RF

Os transmissores, receptores, linhas de transmissão e antenas são normalmente projetados para trabalhar com uma impedância característica definida, frequentemente 50 ohms.

Quando existe diferença de impedância entre os diversos pontos do caminho de RF, parte da energia é refletida.

Para reduzir esse problema, pode ser necessário utilizar um circuito de matching, muitas vezes formado por uma rede do tipo pi ou por outra topologia adequada à aplicação.

O importante é prever no layout os componentes necessários para permitir o ajuste durante os testes.

Como medir o VSWR?

Uma forma prática de avaliar o casamento da antena é medir o VSWR utilizando um analisador de impedância ou instrumento equivalente.

O objetivo é observar como a antena se comporta ao longo da faixa de frequência e localizar a região onde ocorre o melhor casamento.

No projeto mostrado abaixo foi utilizado um analisador vetorial de impedância para verificar uma antena Johanson da família 1575.

A medição deve ser feita na condição mais próxima possível do produto final.

Isso inclui caixa, bateria, conectores, cabos e demais elementos mecânicos próximos à antena.

Teste em uma placa de projeto

No exemplo apresentado no artigo original, a antena apresentou seu melhor ponto próximo de 1637 MHz, enquanto a faixa de interesse permanecia dentro de uma região considerada utilizável pelo critério de VSWR adotado no desenvolvimento.

Naquele estágio, a caixa definitiva ainda não estava disponível.

Por isso, o ajuste final da antena seria realizado posteriormente, já com a mecânica final montada.

Também foram deixadas posições de componentes no circuito de matching para permitir o tuning.

Como conseguir baixo VSWR?

O primeiro passo é garantir que a linha entre o circuito de RF e a antena tenha a impedância correta.

Isso depende da largura da trilha, distância para o plano de terra, espessura e constante dielétrica do laminado e estrutura utilizada na PCB.

Existem calculadoras que auxiliam no dimensionamento de microstrip e guia coplanar.

No artigo original foi utilizada uma calculadora de guia coplanar para estimar a geometria necessária à linha.

Circuito de tuning

É recomendável prever fisicamente o circuito de ajuste da antena mesmo que, no primeiro protótipo, alguns componentes sejam montados como curto ou permaneçam sem componente.

Isso permite corrigir a sintonia posteriormente sem exigir uma nova revisão imediata da PCB.

No projeto citado no artigo original eram utilizados componentes SMD pequenos no circuito de tuning, permitindo manter a região de RF compacta.

Layout de RF: mantenha a linha simples

Em RF, trajetos desnecessariamente longos, mudanças bruscas de direção e descontinuidades devem ser evitados.

No exemplo de layout LoRa mostrado abaixo, a linha da antena segue diretamente para o conector U.FL, sem desvios desnecessários.

Também podem ser utilizadas vias de GND ao redor da linha para ajudar a controlar o campo eletromagnético e melhorar o comportamento da estrutura de transmissão.

VSWR não é o mesmo que eficiência

É importante separar dois conceitos.

O VSWR ajuda a avaliar o casamento de impedância do conjunto.

A eficiência indica quanto da energia efetivamente disponível na antena é convertida em radiação útil.

Uma antena pode apresentar um VSWR aparentemente bom e, mesmo assim, ter desempenho insatisfatório devido à proximidade de partes metálicas, características da caixa, plano de terra inadequado ou outros efeitos do produto final.

Por isso, a análise não deve terminar quando o VSWR fica dentro da faixa desejada.

Como avaliar a eficiência na prática?

Uma forma simples de comparação é utilizar uma fonte de RF e um sistema de medição de intensidade de campo.

Pode-se gerar um sinal em uma antena de referência e medir a intensidade a uma determinada distância.

Depois, o mesmo teste é repetido com a antena instalada no equipamento, procurando manter condições semelhantes.

A comparação não substitui uma medição profissional em câmara anecoica, mas pode ajudar a identificar diferenças importantes de desempenho durante o desenvolvimento.

Quando o VSWR está adequado e o desempenho de alcance continua ruim, vale investigar o efeito da mecânica, do plano de terra e de componentes próximos à antena.

Uso de SDR durante o desenvolvimento

Um SDR pode ser uma ferramenta útil na bancada para visualizar sinais, verificar espectro e auxiliar em diversos testes durante o desenvolvimento de sistemas de RF.

No artigo original foi citado o HackRF One como exemplo de ferramenta utilizada nesse tipo de análise.

Conclusão

Projetar uma antena em um equipamento compacto exige olhar para o conjunto completo.

Não basta escolher uma antena pela frequência e pelo ganho indicados no datasheet.

É necessário considerar o plano de terra, posição na PCB, linha de transmissão, circuito de matching, caixa, bateria, partes metálicas e ambiente real de uso.

Uma boa estratégia é partir das recomendações do fabricante, prever recursos de tuning no primeiro protótipo e realizar as medições com o produto cada vez mais próximo da configuração final.

Esse cuidado reduz o risco de descobrir problemas de alcance ou estabilidade apenas nas etapas finais do desenvolvimento.

Em produtos com Wi-Fi, Bluetooth, GPS, LoRa e outras interfaces de rádio, o espaço disponível normalmente é pequeno e os diferentes sistemas precisam conviver na mesma mecânica.

Por isso, antena, RF, PCB e mecânica devem ser tratados como partes do mesmo projeto.

Para projetos completos, veja também o serviço de desenvolvimento de produtos eletrônicos da ECK.