Dicas de projetos e teste com antenas em pequenos espaços

A antena…

Veja nossas dicas de projetos e teste com antenas em pequenos espaços

Antenas talvez sejam os elementos mais críticos de um projeto e, portanto, demandam maior dedicação do projetista.

A ECK desenvolveu diversas soluções de IOT, rastreadores e iscas de cargas, portanto usamos muitas antenas projetadas em PCB ou mesmo antenas desenvolvidas em chips.

Um dos desenvolvimentos mais difíceis que tivemos, foi ter que integrar 3 antenas, sendo que uma era para uso de duas frequências (WIFI e GPS). No entanto, em um espaço do tamanho de um cartão de crédito.

O que é uma antena?

A antena serve para transformar campos eletromagnéticos em sinais elétricos e vice-versa.

O que você deve considerar na escolha de uma antena?

A eficiência da antena, geralmente compara-se a antena a uma antena linear, mas também é importante verificar a direcionalidade, mas se você precisar de uma antena de ganho linear, uma patch de gps não vai servir;

Mecânica da caixa, por exemplo: materiais como ABS e partes de fixação metálica (parafusos) próximos a antena tendem a alterar a frequência de ressonância. Portanto se não puder evitar antenas que não tiverem banda passante mais larga podem não funcionar. No caso abaixo, por exemplo, a antena permite uma variação de 1575 até 1605 Mhz;

Distribuição de componentes, uma boa regra é não colocar componentes altos ou com partes metálicas perto das antenas, se não for possível melhor escolher uma antena do tipo etiqueta e grudá-la em um ponto melhor;
Algumas antenas são projetadas para estarem na ponta da pcb e outras no meio, geralmente o fabricante fornece um arquivo com vários exemplos de uso e a eficiência;

Continuando…

O ambiente de uso, por exemplo: algumas antenas saem de sintonia quando perto do corpo humano;
Tamanho da placa de circuito impresso, muitas antenas alteram sua característica com o tamanho do plano terra.

A escolha da antena quase sempre é uma questão de balancear entre os ganhos e as perdas de cada característica da antena. Assim como do produto alinhado ao custo final, mas as vezes uma antena melhor pode garantir uma vantagem competitiva. Ou seja, em termos de menor consumo e maior alcance.

Por outro lado, não é nada simples, principalmente se você levar em consideração que muitas vezes o processo produtivo e os insumos influenciam no resultado. Ou seja, uma antena PIFA em pcb depende da capacidade de quem produz a placa de circuito impresso. Dessa forma, o fornecedor da pcb e seu processo repetitivo e vai requerer um sistema de avaliação de fornecedor. Ou seja, para garantir que o lote não apresente problema.

Ainda assim, o mesmo ocorre com componentes, geralmente recomendamos o uso de fornecedores de qualidade, tipo Murata. Entretanto, no projeto escolhemos componentes para uso em RF, com um capacitor para uso em RF. Ou seja, construtivamente e diferente de um capacitor genérico, no entanto, com o mesmo fator de precisão e estabilidade térmica.

Podemos dividir o projeto de um sistema de antena em duas partes:

Em primeiro lugar: o sinal que chega ou sai do gerador/receptor, caminha pelas trilhas e chega/sai da antena, nesse caso é um sinal elétrico;
Em segundo lugar: a transformação desse sinal elétrico em ondas eletromagnéticas e vice-versa.

Analisando o sinal elétrico de uma antena e suas perdas

O gerador/receptor é projetado para uma impedância baixa. Ou seja, as trilhas, ou se achar melhor para entender, linhas de transmissão, devem ser de 50R também e as antenas são de 50R.

Nesse mundo maravilhoso de 50R chegará somente metade da potência na antena, mas o mundo não é maravilhoso então vão ocorrer diferenças de impedância e com isso vai ser necessário um circuito de tuning, geralmente um circuito pi para compensar as perdas.

Como se mede a perda de uma antena elétrica?

Geralmente se usa um analisador de impedância que meça o VSWR, portanto.

Assim, o VSWR é a relação entre a tensão máxima e mínima que aparece na linha de transmissão. Ou seja, essas tensões surgem devido a reflexão do sinal que não consegue ser absorvido pela antena, se o casamento for perfeito o VSWR é igual a 1, as vezes representado de 1:1.

Na prática se você obter um valor abaixo de 1,5, 1,5:1, assim como você terá uma perda de 4% que é bastante aceitável nesse tipo de projeto.

Abaixo você vê o teste que fizemos na antena da Johanson 1575 A do nosso projeto:

Pois bem, nesse caso obtivemos o melhor ponto em 1637Mhz, mas a frequência de operação está dentro de um VSWR abaixo de 1,5. Ou seja, nesse caso quando o cliente entregar a caixa definitiva faremos um tuning da antena. Pois, nesse momento o R10 é um curto e C6 e C10 do circuito acima não foram montado.

Como conseguir um baixo VSWR e melhorar o desempenho da sua antena?

Você precisa construir uma guia de onda compatível, para tanto, existem vários aplicativos na internet que fazem esse cálculo.

https://chemandy.com/calculators/coplanar-waveguide-with-ground-calculator.htm

Geralmente usamos componentes SMD do tamanho 0402 para ajuste do circuito de tuning. Então é muito interessante você usar a largura da trilha compatível com o tamanho 0402. Ou seja, 0,67 mm dessa forma manterá o mesmo padrão do início ao fim na espessura da trilha/componente.

Veja nesse exemplo de Lora, a trilha da antena vai a um conector UFL, de forma reta e sem vias, ou seja, isso diminui muito as perdas e, portanto, melhora o VSWR.

Existem várias vias atravessando os layers em volta da trilha da antena. Pois isso serve para reduzir a emissão de campos elétricos que possam surgir entre o cobre dos dos layers.

A transformação desse sinal elétrico em ondas eletromagnéticas e vice-versa.

Esse sempre foi um problema pois tem muitas variáveis envolvidas e o correto é usar uma camera anecoica nas medições para evitar interferência externa, mas sabemos que isso muitas vezes é inviável.

Uma forma simples é usar um gerador de frequência e um medidor de intensidade de campo, voce vai gerar o sinal em uma antena linear e fazer a medição da intensidade de campo no medidor a uma distância de alguns metros, repetir o mesmo processo na sua antena montada na sua pcb, dentro da caixa de forma mais fiel a como será usada.

Alguns fabricantes fornecem a eficiência da antena em relação a uma antena linear em determinadas condições dessa forma voce poderá avaliar a eficiência do seu sistema, comparando o resultado obtido com o esperado, embora muitas vezes é difícil repetir as mesmas condições ou faltam informações.

Se o VSWR da antena estiver correto e mesmo assim voce tiver problemas com a eficiência pode ser o material da caixa plástica possa estar afetando ou algum componente metálico próximo.

Um SDR como o HackRf One é um investimento bastante interessante e ajuda na análise.

Como testar a eficiência de uma antena?

Esse assunto é muito extenso e buscamos trazer um pouco da nossa experiencia nessa area.

Esperamos que essas dicas de projetos e teste com antenas em pequenos espaços possam lhe ajudar em seus projetos.