Por qué la ubicación de las antenas en las placas de circuito impreso es fundamental para el rendimiento de radiación de las antenas de chip
Las antenas en chip son, literalmente, la solución ideal para dispositivos con limitaciones de tamaño, como los wearables y los sensores del Internet de las cosas (IoT). Por ejemplo, el modelo WLA.04 de Taoglas mide tan solo 1,6 × 0,8 mm, lo que lo convierte en la opción ideal para dispositivos compactos que necesitan conectividad a 2,4 GHz, como BLE, Wi-Fi y ZigBee.
Cuanto más pequeño es el dispositivo, menor es el plano de masa que puede proporcionar. Esto es válido para cualquier tipo de antena, pero es especialmente importante tenerlo en cuenta a la hora de diseñar placas de circuito impreso (PCB) que vayan a incorporar una antena integrada en el chip. El plano de masa de la PCB influye directamente en el rendimiento de la antena integrada en el chip y, por lo tanto, en el rendimiento de todas las aplicaciones que se ejecutan en el dispositivo.
Esta relación pone de manifiesto por qué los fabricantes de equipos originales (OEM) deben adoptar una visión integral y elegir la antena integrada en el chip en una fase temprana del proceso de diseño. Esto permite a los diseñadores utilizar la guía de integración de la antena para reservar la ubicación recomendada en la placa. Por ejemplo, la guía de integración del Taoglas WLA.04 recomienda colocarlo en el punto medio del lado largo de la placa de circuito impreso (PCB), con un plano de masa mínimo de 90 × 50 mm.
Este enfoque garantiza que la antena integrada se sitúe en la ubicación ideal. Si se elige más adelante, se corre el riesgo de tener que rediseñar la placa de circuito impreso, ya que el único espacio que queda para la antena podría resultar ser la peor ubicación en cuanto al plano de masa y al rendimiento. Tener que reorganizar los procesadores, las baterías y otros componentes para hacer sitio a la antena puede retrasar la salida al mercado del dispositivo y aumentar los costes de desarrollo.
Sigue leyendo para conocer la excitación de corriente y el papel fundamental que desempeña tanto en el rendimiento de las antenas integradas como en el diseño de placas de circuito impreso.
Las antenas pequeñas son especialmente sensibles a la ubicación en la placa
Las antenas de chip están integradas en un sustrato de alta permitividad (normalmente cerámico), que puede instalarse en una placa de circuito impreso, de forma similar a un componente SMD. Están disponibles para una amplia variedad de bandas y tecnologías, como Wi-Fi y telefonía móvil.
Por lo general, se recomienda instalar las antenas de chip bien en el centro del lado más largo, bien en una esquina de la placa de circuito impreso, tal y como se muestra en la imagen siguiente.
Las antenas pequeñas tienen un ancho de banda de impedancia y una eficiencia limitados y, por lo tanto, son muy sensibles a su ubicación. Si la antena de chip no se instala en la ubicación adecuada en una placa de circuito impreso, sus propiedades de radiación pueden verse muy reducidas. Esto se debe a que la placa de circuito impreso potencia la radiación de la antena de chip, ya que se excitan corrientes en el plano de masa de la placa. Si estas corrientes no se inducen correctamente, esta potenciación no es posible.
Para comprender este efecto, es importante tener algunos conocimientos básicos sobre la teoría de las antenas. La limitación de tamaño afecta a las propiedades de radiación de la antena y establece una relación de compensación entre el tamaño y el rendimiento. La eficiencia de radiación, la adaptación de impedancia y el ancho de banda de frecuencia son los principales atributos que se estudian para determinar sus limitaciones fundamentales. Los diseñadores de antenas deben tener en cuenta estas limitaciones y lograr un equilibrio entre las dimensiones de la antena y su rendimiento.
Electrically small antennas (ESAs) get their name from how they compare to the wavelength (λ) at the frequency bands where they operate. By definition, they satisfy k*a < 1 (where k is the wave number (k=2π/λ) and a is the smallest radius of a sphere containing the antenna).
Las siguientes figuras ilustran un método para determinar el radio (a) de la esfera envolvente más pequeña. La figura a muestra el cálculo del radio de la esfera de una antena sin plano de tierra. En segundo lugar, en la figura b se describe una antena instalada en un plano de tierra finito, y el radio se calcula teniendo en cuenta todo el plano de tierra cuando este es menor que λ/4 o la antena se encuentra a una distancia inferior a λ/4 de un borde, lo cual ocurre en la mayoría de los casos. Por último, cuando la antena se encuentra en un plano de tierra infinito, se aplica la teoría de las imágenes, y la antena tiene un tamaño doble que su volumen, por lo que el radio se duplica (figura c).
En la mayoría de las soluciones integradas, la ESA se encuentra cerca de cualquiera de los bordes, y para calcular el radio a debe tenerse en cuenta todo el plano de masa. Este aspecto es fundamental y pone de manifiesto por qué las antenas de chip siempre se apoyan en el plano de masa de la placa de circuito impreso.
El plano de tierra de la placa de circuito impreso contribuye en gran medida a la potencia radiada, ya que la antena induce corrientes que fluyen a través de él. Se puede reinterpretar como un dipolo asimétrico en el que un brazo es la antena de chip y el otro, el plano de tierra de la placa de circuito impreso; por lo tanto, la ubicación de la antena de chip sobre él es fundamental.
Comprender los modos
Para comprender mejor las propiedades de radiación de un plano de tierra, recurrimos al análisis de modos característicos (CMA). Los modos característicos corresponden a las resonancias naturales (o modos) de un cuerpo conductor arbitrario analizado en ausencia de cualquier excitación. Tras analizar las resonancias del cuerpo conductor, se pueden elegir adecuadamente el tipo y la ubicación de la alimentación para excitar los modos deseados del objeto, que en este caso es un plano de tierra rectangular de una placa de circuito impreso (PCB). El objetivo es utilizar la antena de chip para excitar estos modos de corriente de la PCB y potenciar las propiedades de radiación de todo el conjunto.
Existen infinitos modos cuando se analiza una estructura, pero los más interesantes a la hora de excitarla son los primeros. Estos resuenan a la frecuencia más baja, como el modo J1, que resuena a una frecuencia en la que el lado más largo de la placa de circuito impreso mide λ/2.
En la figura siguiente se muestra la distribución de la corriente en los seis primeros modos de un plano de tierra rectangular. Cuanto más cerca esté el modo de la resonancia (o cuanto más se haya acercado a ella), más fácil será excitarlo; de ahí que las antenas de chip ofrezcan un mejor rendimiento cuando se instalan en planos de tierra más grandes.
Para excitar estos modos, es necesario utilizar elementos de acoplamiento; en este caso, las antenas integradas. Existen dos tipos de elementos de acoplamiento en función de su naturaleza: el elemento de acoplamiento capacitivo (CCE) y el elemento de acoplamiento inductivo (ICE). La siguiente figura muestra un ejemplo de un ICE y un CCE instalados en un plano de tierra de 100 × 150 mm.
Los CCE son elementos resonantes o no resonantes situados cerca de la plataforma para crear un efecto capacitivo, tal y como se observa en la figura anterior. Deben situarse en el punto en el que el campo eléctrico del modo característico alcance un máximo (mínimo de corriente) para excitar dicho modo. Los CCE suelen colocarse en las esquinas de las plataformas metálicas debido al número de modos que presentan un mínimo de corriente. Según la figura anterior, si el CCE se coloca en la esquina de la placa metálica, se podrían excitar los seis primeros modos de la placa metálica.
Los ICE son elementos resonantes o no resonantes que se acoplan a través de un campo magnético (de forma inductiva). Por lo tanto, deben colocarse donde el modo característico presente un máximo de corriente. Por lo general, se basan en elementos en bucle, como se observa en la fig. 4. A diferencia de los CCE, los ICE suelen colocarse en el centro de los lados de una estructura metálica. Se excitarían principalmente los modos J1 y J2. Los modos J4 y J5 también podrían excitarse si el ICE se desplazara ligeramente hacia la izquierda o hacia la derecha.
Con estos dos tipos de excitación, se activan los modos del plano de tierra, lo que mejora las propiedades de radiación de las antenas. La razón que determina la ubicación de la antena de chip depende de si se trata de una CCE o una ICE. Se recomienda colocar algunas antenas en la esquina y otras en el centro del lado más largo de la placa de circuito impreso.
