Las placas de circuito impreso (PCB) no solo sirven para proporcionar una superficie en la que instalar antenas integradas. Al igual que los soportes de poste, de tornillo y magnéticos para antenas externas, las PCB influyen directamente en el rendimiento de las antenas integradas y, por lo tanto, en la calidad y la fiabilidad de las aplicaciones que las utilizan.
Por ejemplo, ya sea en redes móviles, Wi-Fi, GNSS o Bluetooth, la placa de circuito impreso (PCB) actúa como plano de tierra de la antena. El tamaño del plano de tierra de la PCB, así como la ubicación de la antena dentro de ese espacio, desempeñan un papel fundamental en el rendimiento del dispositivo y de la aplicación.
Sin embargo, encontrar esa ubicación ideal resulta complicado, ya que las placas de circuito impreso (PCB) están repletas de otros componentes, como procesadores y baterías. Además de competir por el escaso espacio disponible en la PCB, esos componentes pueden mermar el rendimiento de la antena si se encuentran demasiado cerca.
Sigue leyendo para saber más sobre cómo abordar con éxito los aspectos más importantes del diseño de placas de circuito impreso (PCB), incluyendo cómo evitar errores habituales y cómo utilizar las pruebas para verificar que la antena y el resto del dispositivo cumplan los requisitos de rendimiento en condiciones reales.
Tecnologías de radiofrecuencia Select
La mayoría de las antenas integradas de montaje en superficie (SMT) son antenas monopolares o antenas planas en forma de F invertida (PIFA) y dependen del plano de tierra. Por lo tanto, la elección de las tecnologías de radiofrecuencia —como la telefonía móvil, el GNSS, el Bluetooth, el Wi-Fi, etc.— marca la pauta, ya que sus frecuencias influyen directamente en los requisitos de tamaño del plano de tierra.
La longitud eléctrica de la antena es un cuarto de longitud de onda. Para que funcione eficazmente a una frecuencia determinada, la longitud eléctrica total de la antena debe ser de media longitud de onda. La longitud del plano de tierra compensará el cuarto de longitud de onda que falta.
Conocer la tecnología o tecnologías de radio ayudará a determinar el tamaño ideal de la placa de circuito impreso (PCB) para obtener un rendimiento óptimo de la antena. Por ejemplo, en el caso de la telefonía móvil, si la antena debe ser compatible con la banda B12 (700 MHz), el tamaño ideal de la PCB debería ser, como mínimo, un cuarto de longitud de onda, es decir, unos 108 mm.
Ten en cuenta las opciones de antena desde el principio del proceso de diseño del dispositivo
Los smartphones, los dispositivos wearables y los sensores del Internet de las cosas (IoT) son ejemplos de dispositivos que suelen utilizar antenas integradas. Tienen algo más en común: son pequeños, lo que significa que el espacio disponible en su placa de circuito impreso (PCB) es, por naturaleza, reducido.
Esto pone de relieve la importancia de tener en cuenta las antenas en una fase temprana del proceso de diseño del dispositivo. Esperar a que se haya definido definitivamente el factor de forma o hasta que se haya asignado espacio en la placa a todos los demás componentes limita enormemente las opciones de ubicación de la antena. Además, puede restringir las opciones de antena si los productos disponibles en el mercado no cumplen los criterios de rendimiento cuando se instalan en el único espacio que queda libre en la placa de circuito impreso.
Es cierto que la antena no puede dictar el diseño de un dispositivo ni prevalecer siempre sobre las necesidades de otros componentes. Sin embargo, dar prioridad desde el principio a los requisitos de la placa de circuito impreso (PCB) de la antena ayuda a evitar los gastos que supone ajustar un producto ya fabricado, encargar una antena a medida o rediseñar la placa para reorganizar los componentes. Esto también evita retrasos en el tiempo de comercialización y en la generación de ingresos.
El tamaño sí importa
El plano de tierra desempeña un papel fundamental a la hora de determinar la ganancia de la antena, que mide la direccionalidad de la misma en relación con la intensidad de la señal que transmite o recibe. Esto significa que el plano de tierra es un factor importante a tener en cuenta en todas las tecnologías de radiofrecuencia, como GNSS, 4G LTE, 5G, Wi-Fi, Bluetooth y otras. (Para profundizar en el tema, consulta «Comprender la ganancia de la antena y cómo afecta al rendimiento, la fiabilidad y la competitividad de los dispositivos».)
Un aspecto fundamental a tener en cuenta en un plano de tierra es su longitud, que debe ser, como mínimo, un cuarto de la longitud de onda. Por ejemplo, las bandas 4G y 5G de América del Norte oscilan entre los 600 MHz y los 3,5 GHz. A 699 MHz, la longitud mínima del plano de tierra es de 107 mm. A 2400 MHz, es de 31 mm. Para obtener más información, consulta «Comprender los planos de tierra para dispositivos móviles y GNSS».
El tamaño de la zona de exclusión también es fundamental. Se trata del espacio de la placa de circuito impreso que rodea a la antena y que debe mantenerse libre de cualquier elemento metálico —como otros componentes, tornillos y pistas de cobre— para que no interfieran en las señales radiadas.
También es importante tener en cuenta otros factores además de la zona de exclusión de la placa de circuito impreso. Las piezas metálicas y de plástico, como los cables, las baterías, las pantallas y la carcasa del dispositivo, influyen en la capacidad de la antena para emitir y/o recibir de forma eficaz. Por ejemplo, Taoglas recomienda mantener la antena a una distancia mínima de 20 mm de la batería.
Cuanto más pequeña es la antena, más fácil resulta colocarla en la ubicación ideal. Un ejemplo es la nueva antena PCS.62.A de Taoglas , diseñada para aplicaciones celulares por debajo de los 6 GHz. Con unas dimensiones de tan solo 38 x 10,3 x 3 mm, esta antena ultracompacta aumenta la flexibilidad de diseño simplemente porque ocupa menos espacio en la placa.
Encontrar el punto óptimo
La tecnología o tecnologías de radiofrecuencia (RF) del dispositivo ayudan a determinar tanto el tipo de antenas que se pueden utilizar como su ubicación en la placa de circuito impreso (PCB). Por ejemplo, las antenas de parche son una opción habitual para dispositivos que utilizan GNSS, como los dispositivos wearables, los localizadores de activos y los drones. Estas deben colocarse en el centro de la PCB, que debe tener unas dimensiones mínimas de 70 x 70 mm para optimizar el rendimiento.
Ya sea tecnología celular, GNSS u otra, cada antena de Taoglas incluye una ficha técnica que ofrece instrucciones detalladas de integración sobre la ubicación ideal y el tamaño del plano de tierra. En el caso de las antenas de parche, la ubicación óptima es el centro de la placa de circuito impreso, mientras que las antenas que no son de parche deben situarse en el borde de la placa (siguiendo la recomendación sobre el área de exclusión).
Un ejemplo es el PCS.62.A, cuya guía de integración está disponible en https://testing.taoglas.com/datasheets/PCS.62.A.pdf. Las páginas 31 a 34 ofrecen información detallada sobre cómo el tamaño de cada plano de tierra afecta a la relación de onda estacionaria (VSWR), la ganancia, la eficiencia y otros parámetros de rendimiento.
Para obtener más información, consulta«Prácticas recomendadas para la integración de antenas GNSS»y«Todos juntos: prácticas recomendadas para la integración de antenas de telefonía móvil».
Sigue las instrucciones de la ficha técnica
Taoglas Las fichas técnicas de las antenas también ofrecen orientación sobre la red de adaptación, que garantiza que las señales reflejadas no dañen el transmisor, al tiempo que maximiza el rendimiento y la eficiencia. Por ejemplo, el modelo PCS.62.A requiere una línea de transmisión de 50 ohmios (Ω) y una red de adaptación Pi.
La red de adaptación de referencia que figura en la ficha técnica de la antena es un punto de partida. Esos componentes pueden modificarse posteriormente si es necesario, por ejemplo, si las pruebas revelan aspectos que deben ajustarse para cumplir los requisitos de rendimiento. Durante el diseño de la placa de circuito impreso, se recomienda dejar espacio para componentes de adaptación adicionales, por si fueran necesarios para un ajuste futuro. Este es otro ejemplo de por qué las antenas deben tenerse en cuenta desde el principio del proceso de diseño del dispositivo.
Por último, la línea de transmisión debe diseñarse para tener una impedancia de 50 ohmios, lo que garantiza una transmisión perfecta de la señal. El diseño también debe garantizar que se utilice una toma de tierra de referencia de RF para proteger contra el ruido eléctrico y de RF, así como contra los efectos de desintonización provocados por otros componentes.
Prueba de verificación
TaoglasLos servicios de ingeniería de « Taoglas » pueden crear y ejecutar simulaciones de antenas para los clientes en las primeras fases del proceso de diseño. Una vez que los clientes han desarrollado los prototipos, también puede someterlos a pruebas y depurarlos mediante un analizador de redes vectorial (VNA) y una cámara anecoica. Los resultados de las pruebas proporcionan la información necesaria para ajustar la antena y/o modificar el diseño de la placa de circuito impreso (PCB) con el fin de alcanzar los objetivos de rendimiento.
Por ejemplo, el servicio «ISA.12: Revisión de RF para el diseño de PCB y Gerber» deTaoglasayuda alos fabricantes de equipos originales (OEM) a gestionar con éxito el complejo proceso de diseño e implementación de una línea de transmisión de RF. Los ingenieros de Taoglas ofrecen asesoramiento especializado en aspectos como el cálculo de un rango de impedancia adecuado, el diseño teniendo en cuenta las tolerancias de apilamiento y de producción, la minimización de las pérdidas parásitas y la selección del tipo de línea de transmisión ideal.
Otro ejemplo es el servicio de pruebas de TRP para OTA celulares CSA.30 deTaoglas, que garantiza que la antena se haya integrado correctamente para que pueda superar la certificación de los operadores.
Si estás desarrollando un producto que requiere comunicación inalámbrica y necesitas ayuda para seleccionar la antena adecuada y su ubicación, el integrador de antenas de Taoglas —que forma parte del conjunto de herramientas AntennaXpert— puede ser un recurso inestimable. Esta herramienta te ayuda a optimizar el rendimiento de RF, determinar la ubicación de los componentes y minimizar el tamaño de la placa de circuito impreso. Además, simplifica la integración mecánica y reduce el tiempo de desarrollo. Para obtener más información, haz clic en el botón de abajo.
