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¿Qué es una antena PCB? Todo lo que necesitas saber

Índice del contenido

Una antena de PCB se coloca en la propia PCB y no requiere piezas externas. Como resultado, ofrece ahorro de costes y espacio, entre otros beneficios. Lea más sobre él en esta guía completa y descubra por qué es una excelente opción para los sistemas de comunicación por RF. Entre los temas que estaremos discutiendo están.

  • ¿Qué es y cómo funciona?
  • Aplicaciones comunes
  • Sus diferentes tipos
  • Y los pasos sobre cómo diseñar uno.

¿Qué es una antena PCB?

Es un tipo de antena colocada en una placa de circuito impreso. Utiliza trazas como elementos conductores. En otras palabras, forma parte de la placa de circuito en lugar de estar conectado externamente.

Cuando se utiliza con un circuito de RF, ayuda a convertir ondas de radio en pequeños pulsos de una corriente eléctrica. También puede funcionar como transmisor y realizar un propósito opuesto.

Fabricarlo directamente en la placa ofrece varios beneficios, incluido un menor costo y una fácil integración. Encuentra usos útiles en dispositivos electrónicos con comunicación inalámbrica para varias bandas de frecuencia, incluidas celulares, Wi-Fi y Bluetooth.

Cómo funciona la antena PCB

Una antena impresa en PCB ayuda a transmitir o recibir alta frecuencia ondas electromagnéticas. Funciona con un circuito de alta frecuencia para convertir la energía de las ondas de RF en señales eléctricas y viceversa. Aquí tenéis su funcionamiento con más detalle:

Transmitiendo: El circuito de RF envía una carga eléctrica variable a la antena. La carga genera una onda electromagnética que se irradia hacia el espacio y transporta la señal transmitida.

Recepción: El campo electromagnético induce una carga en la antena, generando una fluctuación. corriente y voltaje. El circuito de RF lo decodifica para separar o extraer la señal transmitida.

La radiación de las ondas varía según su diseño. Suele ser direccional, semidireccional u omnidireccional. Esto es lo que eso significa.

  • Un tipo direccional solo tiene una dirección
  • El tipo semidireccional tiene un ángulo definido de propagación de la señal.
  • Por otro lado, el tipo omnidireccional puede enviar señales en todas direcciones.
Antena PCB 5G
Antena PCB 5G
Recursos: https://www.microwavejournal.com

Aplicaciones de antena de PCB

Las aplicaciones en las que es necesario (y un beneficio) integrar una antena en una placa de circuito impreso incluyen las que se enumeran a continuación.

  • Sistemas de comunicación inalámbrica: Los ejemplos incluyen las antenas PCB 3G y 4G para comunicación celular de largo alcance y los tipos Wi-Fi o Bluetooth para comunicación de corto alcance.
  • Sistemas Automotrices: vehículo Sistemas GPS y otras aplicaciones inalámbricas como la entrada sin llave lo utilizan para enviar y recibir señales.
  • RFID: Las ondas de radio de diversos sistemas y dispositivos de seguimiento e identificación de RF utilizan antenas compactas fabricadas en placas de circuito impreso.
  • Dispositivos médicos: Una variedad de dispositivos de monitoreo médico, incluidos los portátiles, dependen de él para enviar y recibir ondas de comunicación.

Ventajas de la antena PCB

Una antena de PCB interna es una opción popular a la hora de fabricar sistemas y dispositivos electrónicos inalámbricos. La integración ofrece estas ventajas.

  • Costo: No necesita materiales ni piezas adicionales para producirlo, ya que utiliza circuitos y pistas de placa de circuito. Eso reduce el costo de fabricar su dispositivo de comunicación inalámbrica.
  • Tamaño Ocupan un espacio mínimo, lo que los convierte en una excelente opción para dispositivos portátiles compactos, como teléfonos móviles o dispositivos de monitoreo portátiles.
  • Fabricabilidad: requiere menos materiales para colocarlo en una placa de circuito, lo que lo convierte en la opción preferida para muchos sistemas inalámbricos.

Las antenas de placa de circuito tienen algunas desventajas. Su compacidad puede limitar su ancho de banda y reducir su eficiencia. También son más propensos a sufrir interferencias ambientales.

Tipos y diseños de antenas de PCB
Tipos y diseños de antenas de PCB
Recursos: https://www.researchgate.net

Tipos de antena PCB

Puede distinguir los distintos tipos de antenas de PCB por sus características de diseño o estructuras. En vista de eso, tenemos estos diferentes diseños.

Antena monopolar PCB

Sólo tiene un elemento conductor: un único y recto tramo de traza. Estos tipos son fáciles de fabricar, compactos y económicos de crear y colocar en una placa de circuito. Ofrecen una cobertura de 360 ​​grados.

Antena dipolo PCB

A diferencia del tipo monopolo, tiene dos elementos conductores de iguales longitudes. Ofrece un patrón de radiación bidireccional, lo que la convierte en una versión de banda estrecha.

Antena de parche PCB

Parece un parche en la placa de circuito y puede tener varias formas, incluidas rectangular, cuadrada y redonda. A pesar de ser relativamente grande, ofrece varios beneficios, como una alta ganancia.

Antena de cuadro de circuito impreso

Utiliza conductores que forman un bucle, con terminales de receptor y transmisor conectados a cada extremo. Este diseño tiene una eficiencia menor que la mayoría de los otros tipos, pero es uno de los más sencillos de diseñar o utilizar.

Antena helicoidal PCB

Utiliza un elemento conductor en forma de hélice. El conductor en espiral ofrece varios beneficios, uno de ellos es el ahorro de espacio. El diseño también lo convierte en un tipo direccional con alta ganancia pero ancho de banda estrecho.

Antena de ranura para PCB

El material conductor (traza) está ranurado. Este diseño crea un resonador que irradia energía electromagnética cuando se suministra con una señal de RF. Lo mismo sucede cuando lo golpean ondas de RF.

Antena Yagi PCB

El Yagi utiliza un elemento impulsado, como un receptor dipolo, entre un reflector de señal y uno o más directores de señal. Tiene una alta ganancia pero ocupa más espacio que la mayoría de los otros tipos de antenas de PCB.

Antena F plana invertida

Como sugiere su nombre, parece una F invertida en la placa de circuito. Es omnidireccional con alta eficiencia y beneficios de huella reducida. Es popular en dispositivos móviles o portátiles como teléfonos inteligentes y tabletas.

Antena Meander Line

El elemento conductor se pliega hacia adelante y hacia atrás, creando una estructura serpenteante que acorta considerablemente la longitud total. Aunque es más compacto, presenta un desafío en cuanto al patrón de radiación y varias otras propiedades.

Diseño de una antena GSM PCB
Diseño de una antena GSM PCB
Recursos: https://forum.arduino.cc

Cómo diseñar una antena PCB

El diseño de una antena de PCB implica estos pasos principales:

  • Especificando su tipo
  • Calculando el tamaño
  • Determinar los requisitos eléctricos,
  • Creando los esquemas y el diseño.
  • Y, finalmente, ejecutar simulaciones.

Tipo de antena y material de la placa

Determinar el diseño o estructura deseada. Hay muchas opciones. Van desde estructuras monopolo hasta dipolo y más. Su elección dependerá del patrón de radiación deseado y del ancho de banda o de las limitaciones de frecuencia y tamaño.

Determinar el material del tablero. Sus opciones incluyen FR4 y metales y dependen de los siguientes factores: características eléctricas requeridas, requisitos de propiedades mecánicas y costo.

Tamaño de la antena

Este paso requiere algunos cálculos para determinar las siguientes especificaciones: altura, ancho y largo de la antena. Aquí, asumimos que el material de la placa de circuito (sustrato) es FR4.

Para calcular la altura del sustrato, utilice esta fórmula donde C representa la velocidad de la luz en m/s y Σr la constante dieléctrica del sustrato.

Para el ancho del trazo, aquí está la fórmula a utilizar. Nuevamente, Σr es la constante dieléctrica del material.

Finalmente, use esta fórmula para determinar la longitud del rastro. Aquí, Σff representa la permitividad efectiva y ΔL la longitud física.

La siguiente fórmula le proporciona la relación ancho-profundidad de la microcinta. En la fórmula, "W" significa el ancho de la traza, mientras que "A" significa el área efectiva.

Requisitos eléctricos

Su circuito de RF funcionará dentro de varias limitaciones dependiendo de su aplicación o entorno de uso final. Comience especificando lo siguiente: la frecuencia de operación y el patrón de radiación, la polarización, impedancia, etc.

Esquemas y diseño

Cree sus esquemas utilizando un programa de diseño. Esta parte también implica la creación del diseño físico. Con los componentes dispuestos y las interconexiones realizadas, puedes ejecutarlo para predecir su funcionamiento.

Simulación de diseño

Una vez que todos los requisitos estén establecidos y leído el diseño, ejecútelo utilizando un programa de simulación. Las simulaciones le ayudan a detectar errores en el diseño antes de la creación de prototipos o la producción final. Puede utilizar varios programas de simulación, incluidos ANSYS, CST studio y HFSS.

Diseño de antena PCB 4G
Diseño de antena PCB 4G
Recursos: https://www.youtube.com/watch?v=m0B-63Q-R_8

Consideraciones de diseño de PCB

El diseño de una PCB requiere una consideración cuidadosa de varios parámetros, o es posible que no funcione de manera eficiente. Para optimizarlo para la transmisión o recepción de señales, considere estos factores.

Puesto de trabajo

Normalmente puedes colocarlo en cualquier parte del tablero. Depende de la aplicación. Sin embargo, las esquinas son las posiciones más ideales. Tiene hasta cinco direcciones de transmisión y recepción cuando se coloca en una esquina, lo que lo hace más efectivo.

Tamaño y peso

Las antenas de placa de circuito impreso son livianas y pequeñas. Dependiendo del uso final de la placa, asegúrese de que la suya no exceda los límites aceptables de tamaño y peso, especialmente si la está diseñando para un dispositivo portátil o portátil.

Plano terrestre

Dimensione el plano de tierra correctamente. Hazlo lo suficientemente grande. Una tierra colocada incorrectamente afecta el patrón de radiación, lo que genera ineficiencia en todo el circuito de RF.

Liquidación de componentes

Mantenga los componentes alejados. Provocan interferencias y afectan la transmisión o recepción de la señal. Éstas incluyen dispositivos electrónicos y tornillos de montaje y otras piezas metálicas.

Línea de transmisión

La línea de transmisión es el camino conductor que lleva la señal de RF al circuito receptor. Hágalo derecho para evitar la degradación de la señal.

Antena de chip frente a antena de PCB
Antena de chip frente a antena de PCB
Recursos: https://www.youtube.com/watch?v=ZVo2RkBS14o

Antena de PCB frente a antena de chip

Una antena de placa de circuito está impresa en la placa utilizando pistas conductoras. Un tipo de chip implica colocar un material dieléctrico entre dos piezas conductoras. Además de las diferencias estructurales y de diseño, otras características que los diferencian incluyen las siguientes.

Un tipo impreso ocupa más espacio que un tipo chip pero cuesta menos. También produce señales más fuertes y admite una mayor ancho de banda. Sin embargo, es más propenso a factores ambientales, como las interferencias.

El tipo de chip es más compacto y fácil de modificar. Los factores ambientales también le afectan menos. En el lado negativo, cuesta más y tiene una intensidad de señal larga y un rango de frecuencia limitado.

Conclusión

La antena PCB es uno de los tipos más populares en la actualidad. Es fácil de implementar, personalizable y está disponible en muchas opciones de diseño. Muchas placas de circuitos de dispositivos de comunicación inalámbrica lo utilizan, desde placas de teléfonos móviles hasta GPS y otros sistemas de IoT.

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