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 que integrar 3 antenas, sendo que uma era para uso de duas frequências (WIFI e GPS) 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 voce deve considerar na escolha de uma antena?

  1. A eficiência da antena, geralmente compara-se a antena a uma antena linear, mas também é importante verificar a direcionalidade, se você precisa de uma antena de ganho linear uma patch de gps não vai servir;
  2.  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 a antena permite uma variação de 1575 até 1605 Mhz;
  3. 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;
  4. 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;
  5. O ambiente de uso, por exemplo: algumas antenas saem de sintonia quando perto do corpo humano;
  6. 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 e do produto alinhado ao custo final, as vezes uma antena melhor pode garantir uma vantagem competitiva em termos de menor consumo e maior alcance.

 

Não é nada simples principalmente se voce levar em consideração que muitas vezes o processo produtivo e os insumos influenciam no resultado, uma antena PIFA em pcb depende da capacidade de quem produz a placa de circuito impresso, o fornecedor da pcb e seu processo repetitivo e vai requer um sistema de avaliação de fornecedor para garantir que o lote não apresenta problema.
O mesmo ocorre com componentes, geralmente recomendamos o uso de fornecedores de qualidade tipo Murata e no projeto escolhemos componentes para uso em RF, um capacitor para uso em RF construtivamente e diferente de um capacitor genérico, mesmo com o mesmo fator de precisão e estabilidade térmica.

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

 

  1. O sinal que chega ou sai do gerador/receptor, caminha pelas trilhas e chega/sai da antena, nesse caso é um sinal elétrico;
  2. 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, a 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 eletrica antena?

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

O  VSWR é a relação entre a tensão máxima e mínima que aparece na linha de transmissão, 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 voce obter um valor abaixo de 1,5, 1,5:1, voce 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:

 

Nesse caso obtivemos o melhor ponto em 1637Mhz, mas a frequência de operação esta dentro de um VSWR abaixo de 1,5,  nesse caso quando o cliente entregar a caixa definitiva faremos um tuning da antena, 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?

Voce precisa construir uma guia de onda compatível com para isso 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 voce 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 que a trilha da antena vai a um conector UFL, de forma reta e sem vias, isso diminui muito as perdas e, portanto, melhora o VSWR.
Existem várias vias atravessando os layers em volta da trilha da antena, 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.

Como testar a eficiência de uma antena.

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.

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

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