Diseño de antenas en espacios reducidos
El diseño de antenas en productos compactos exige considerar el equipo completo: PCB, caja, batería, blindajes, conectores y otros circuitos de radiofrecuencia cambian el comportamiento de la antena.
En muchos productos electrónicos, la antena comparte espacio con la batería, el display, conectores, blindajes, partes metálicas de la caja y otros circuitos de radiofrecuencia. Todo eso puede alterar su frecuencia de resonancia, su eficiencia y su diagrama de radiación.
En ECK ya trabajamos con distintas soluciones de antena en PCB y antenas chip. En uno de los desarrollos, por ejemplo, hubo que integrar tres antenas en un equipo del tamaño aproximado de una tarjeta de crédito, una de ellas para dos bandas de frecuencia, con Wi-Fi y GPS.
Este artículo reúne algunas observaciones prácticas sobre la elección, la ubicación, el layout y la prueba de antenas en productos electrónicos compactos.
Diseño de antenas: fundamentos y comportamiento
De forma simplificada, una antena convierte señales eléctricas en campos electromagnéticos y viceversa.
En el transmisor, la señal eléctrica recorre la línea de transmisión hasta la antena, donde parte de la energía se convierte en onda electromagnética.
En el receptor ocurre el proceso inverso: la energía electromagnética captada por la antena se convierte en una señal eléctrica que sigue hacia el circuito de recepción.
En la práctica, sin embargo, el comportamiento de la antena depende mucho del entorno donde está instalada.
Diagrama de radiación y directividad
Una característica importante es la forma en que la energía se irradia en el espacio.
Una antena puede tener un lóbulo principal, lóbulos secundarios y un lóbulo trasero. Eso significa que dos antenas con valores de ganancia parecidos pueden comportarse de forma muy distinta según la dirección en que se quiera transmitir o recibir la señal.
Por eso, además de la ganancia, es importante verificar la directividad y el patrón de radiación.
Una antena patch de GPS, por ejemplo, tiene características muy diferentes de una antena diseñada para irradiar de forma más uniforme alrededor del equipo.
¿Qué considerar al elegir una antena?
La elección de la antena debe considerar el producto completo y no solo la frecuencia de operación.
Entre los principales factores están la eficiencia, la ganancia, el ancho de banda, la directividad, las dimensiones físicas, el plano de tierra necesario, la posición en la PCB y el comportamiento de la antena una vez instalada en la caja definitiva.
También hay que evaluar la banda de frecuencia que la antena cubre realmente.
En productos compactos, una antena con una banda de operación más amplia puede tolerar mejor los cambios que provocan la mecánica, los materiales de la caja y la cercanía de componentes.
La mecánica de la caja interfiere en la antena
La antena no debe analizarse separada de la mecánica.
Materiales plásticos, espesor de la caja, tornillos, soportes metálicos, baterías, blindajes y otros componentes cercanos pueden alterar la frecuencia de resonancia y la eficiencia.
Por eso, una antena que funciona bien en la placa de evaluación del fabricante puede comportarse distinto cuando se instala en el producto final.
Siempre que sea posible, la validación debe hacerse con la placa montada en la misma posición en que se usará y dentro de la caja definitiva.
Ubicación de la antena y distribución de los componentes
La distribución de los componentes en la PCB también influye en el desempeño.
Una regla práctica es evitar componentes altos o partes metálicas cerca de la zona de la antena, sobre todo cuando el fabricante especifica un área de keep-out o una región sin plano de tierra.
Algunas antenas están diseñadas para trabajar en el borde de la placa. Otras pueden instalarse en otras posiciones, siempre que se respeten el plano de tierra y las recomendaciones del fabricante.
Los fabricantes suelen ofrecer placas de evaluación y diseños de referencia que muestran dimensiones, área de GND, región sin cobre, línea de alimentación y circuito de matching.
Esos documentos son una buena base para empezar el layout.
El tamaño de la PCB también forma parte de la antena
En muchos proyectos, sobre todo con antenas chip, el plano de tierra de la PCB participa directamente en el funcionamiento del conjunto.
Por eso, reducir o agrandar mucho la placa respecto de la referencia del fabricante puede alterar la sintonía y la eficiencia.
Este efecto es especialmente importante cuando se intenta reutilizar el mismo modelo de antena en equipos de tamaños muy distintos.
La influencia del entorno de uso
El producto debe evaluarse en su condición real de uso.
Hay antenas cuyo comportamiento cambia cuando el equipo queda cerca del cuerpo humano, de estructuras metálicas o de otros materiales con características dieléctricas diferentes.
Por lo tanto, la elección de la antena implica un compromiso entre espacio, costo, eficiencia, alcance y condiciones reales de instalación.
Componentes para circuitos de RF
Los componentes del circuito de RF también merecen atención.
En los circuitos de matching, se recomienda usar componentes adecuados a la frecuencia de trabajo y observar características como estabilidad, tolerancia y comportamiento en alta frecuencia.
Incluso un capacitor con el mismo valor nominal que otro componente genérico puede comportarse distinto en RF.
Por eso, la selección de proveedores y componentes debe formar parte de la estrategia del proyecto.
Dos partes del sistema de antena
Podemos dividir el diseño de una antena en dos partes principales:
1. El camino eléctrico entre el transmisor o receptor y la antena, que incluye la línea de transmisión, los conectores y el circuito de matching.
2. La transformación entre la señal eléctrica y la onda electromagnética, determinada por la antena y por su entorno.
Esta separación ayuda a entender por qué un sistema puede tener un buen VSWR y aun así un alcance por debajo de lo esperado.
Impedancia de la línea de RF
Los transmisores, receptores, líneas de transmisión y antenas suelen diseñarse para trabajar con una impedancia característica definida, frecuentemente 50 ohms.
Cuando hay diferencias de impedancia entre los distintos puntos del camino de RF, parte de la energía se refleja.
Para reducir este problema puede hacer falta un circuito de matching, muchas veces formado por una red tipo pi o por otra topología adecuada a la aplicación.
Lo importante es prever en el layout los componentes necesarios para permitir el ajuste durante las pruebas.
¿Cómo medir el VSWR?
Una forma práctica de evaluar la adaptación de la antena es medir el VSWR con un analizador de impedancia o un instrumento equivalente.
El objetivo es observar cómo se comporta la antena a lo largo de la banda de frecuencia y encontrar la región donde se da la mejor adaptación.
En el proyecto que se muestra abajo se usó un analizador vectorial de impedancia para verificar una antena Johanson de la familia 1575.
La medición debe hacerse en la condición más parecida posible al producto final.
Eso incluye la caja, la batería, los conectores, los cables y los demás elementos mecánicos cercanos a la antena.
Prueba en una placa del proyecto
En el ejemplo del artículo original, la antena tuvo su mejor punto cerca de 1637 MHz, mientras que la banda de interés seguía dentro de una región considerada utilizable según el criterio de VSWR adoptado en el desarrollo.
En esa etapa, la caja definitiva todavía no estaba disponible.
Por eso, el ajuste final de la antena se haría más adelante, ya con la mecánica final montada.
También se dejaron posiciones de componentes en el circuito de matching para permitir el tuning.
¿Cómo lograr un VSWR bajo?
El primer paso es asegurar que la línea entre el circuito de RF y la antena tenga la impedancia correcta.
Eso depende del ancho de la pista, de la distancia al plano de tierra, del espesor y la constante dieléctrica del laminado y de la estructura usada en la PCB.
Hay calculadoras que ayudan a dimensionar microstrip y guía coplanar.
En el artículo original se usó una calculadora de guía coplanar para estimar la geometría necesaria de la línea.
Circuito de tuning
Se recomienda prever físicamente el circuito de ajuste de la antena aunque, en el primer prototipo, algunos componentes se monten como cortocircuito o queden sin montar.
Eso permite corregir la sintonía después sin exigir de inmediato una nueva revisión de la PCB.
En el proyecto citado en el artículo original se usaban componentes SMD pequeños en el circuito de tuning, lo que permitía mantener compacta la región de RF.
Layout de RF: mantenga la línea simple
En RF hay que evitar trayectos innecesariamente largos, cambios bruscos de dirección y discontinuidades.
En el ejemplo de layout LoRa que se muestra abajo, la línea de la antena va directo al conector U.FL, sin desvíos innecesarios.
También pueden usarse vías de GND alrededor de la línea para ayudar a controlar el campo electromagnético y mejorar el comportamiento de la estructura de transmisión.
VSWR no es lo mismo que eficiencia
Es importante separar dos conceptos.
El VSWR ayuda a evaluar la adaptación de impedancia del conjunto.
La eficiencia indica cuánto de la energía realmente disponible en la antena se convierte en radiación útil.
Una antena puede tener un VSWR aparentemente bueno y aun así un desempeño insatisfactorio por la cercanía de partes metálicas, las características de la caja, un plano de tierra inadecuado u otros efectos del producto final.
Por eso, el análisis no debe terminar cuando el VSWR queda dentro del rango deseado.
¿Cómo evaluar la eficiencia en la práctica?
Una forma simple de comparar es usar una fuente de RF y un sistema de medición de intensidad de campo.
Se puede generar una señal en una antena de referencia y medir la intensidad a una distancia determinada.
Después se repite la misma prueba con la antena instalada en el equipo, tratando de mantener condiciones similares.
La comparación no reemplaza una medición profesional en cámara anecoica, pero puede ayudar a detectar diferencias importantes de desempeño durante el desarrollo.
Cuando el VSWR es adecuado y el alcance sigue siendo malo, conviene investigar el efecto de la mecánica, del plano de tierra y de los componentes cercanos a la antena.
Uso de SDR durante el desarrollo
Un SDR puede ser una herramienta útil en el banco de pruebas para visualizar señales, verificar el espectro y ayudar en varias pruebas durante el desarrollo de sistemas de RF.
En el artículo original se citó el HackRF One como ejemplo de herramienta usada en este tipo de análisis.
Conclusión
Diseñar una antena en un equipo compacto exige mirar el conjunto completo.
No alcanza con elegir una antena por la frecuencia y la ganancia que indica la hoja de datos.
Hay que considerar el plano de tierra, la posición en la PCB, la línea de transmisión, el circuito de matching, la caja, la batería, las partes metálicas y el entorno real de uso.
Una buena estrategia es partir de las recomendaciones del fabricante, prever recursos de tuning en el primer prototipo y hacer las mediciones con el producto cada vez más cerca de su configuración final.
Ese cuidado reduce el riesgo de descubrir problemas de alcance o estabilidad recién en las etapas finales del desarrollo.
En productos con Wi-Fi, Bluetooth, GPS, LoRa y otras interfaces de radio, el espacio disponible suele ser pequeño y los distintos sistemas tienen que convivir en la misma mecánica.
Por eso, antena, RF, PCB y mecánica deben tratarse como partes del mismo proyecto.
Para proyectos completos, vea también el servicio de desarrollo de productos electrónicos de ECK.
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