Documento Técnico: Opções de Integração de Antenas em Dispositivos Incorporados Sem Fio de IoT
- compositor09
- 27 de mai.
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Atualizado: 28 de mai.
Ao projetar dispositivos sem fio, é essencial prestar atenção ao layout da antena na placa de circuito impresso (PCB). Fatores como espaço, posicionamento, afastamento, plano de terra e conexão adequada com outros componentes na placa influenciam diretamente o desempenho da antena. Considerar corretamente esses aspectos desde a fase inicial do projeto ajuda a garantir uma transmissão bem-sucedida e um desempenho sem fio confiável.
Uma antena que apresenta bom desempenho em espaço livre, conforme indicado na folha de dados do fornecedor, pode se comportar de maneira diferente quando instalada em um dispositivo real. No pior dos cenários, se a antena for “encaixada” no espaço no final da fase de projeto sem seguir as diretrizes do fabricante, seu desempenho poderá ser comprometido. Isso frequentemente leva à necessidade de alterações no design, o que aumenta os custos e atrasa o tempo de lançamento no mercado. Ao seguir os cinco princípios fundamentais abaixo para projetar antenas incorporadas em dispositivos eletrônicos, é mais provável obter sucesso logo na primeira tentativa.
Posicionamento da Antena
Como as antenas são altamente sensíveis ao ambiente ao seu redor, a localização aproximada dentro do dispositivo pode impactar significativamente o projeto. A antena deve ser posicionada de forma a ficar protegida contra objetos que possam causar interferência elétrica.Objetos metálicos próximos à antena podem afetar seu desempenho. Tome como exemplo um rastreador de bicicleta—o dispositivo pode ser montado no quadro metálico da bicicleta. Quando o dispositivo é usado próximo a estruturas metálicas, a antena deve ser posicionada o mais distante possível dessas estruturas para que possa irradiar sem interferência.
O invólucro do dispositivo também pode impactar o desempenho da antena. Se for feito de metal ou plástico reforçado com fibra de vidro, pode suprimir a energia de radiação da antena. A menos que esteja usando uma antena especialmente projetada, recomenda-se usar plástico sem reforço de fibra de vidro para garantir desempenho ideal.
A posição da antena na PCB afeta o desempenho de RF. Como a antena precisa irradiar em seis direções, o posicionamento é crítico. Embora muitas antenas funcionem melhor nos cantos da PCB, outras operam melhor nas bordas longas ou curtas. Você pode ajustar a localização exata, mas é fundamental seguir as recomendações do fabricante para garantir a radiação adequada e desempenho ideal.
Posição da Antena em Relação a Outros Componentes
Mesmo uma antena de alto desempenho e eficiência não funcionará corretamente se estiver muito próxima de componentes que causam interferência. Essa interferência pode vir de elementos na PCB ou de objetos próximos à antena.Certos componentes, como baterias, telas LCD, motores e outros objetos metálicos, podem gerar ruídos ou reflexões que prejudicam o desempenho da antena. Portanto, a antena deve ser posicionada o mais distante possível desses elementos.
A Figura 1 ilustra a área de exclusão da antena e o espaçamento que se estende por todas as camadas da placa de circuito impresso (PCB).
Outras antenas próximas também podem causar problemas, especialmente se operarem em frequências semelhantes ou que ressoem com o comprimento de onda principal. Essas antenas podem provocar desintonização da antena principal. Idealmente, deve-se isolar as antenas umas das outras—por exemplo, com uma isolação de -10 dB em 1 GHz e -20 dB em 2 GHz.
As antenas podem exigir uma área de exclusão. Nessa região, devem estar presentes apenas os pads de solda da antena e a conexão de alimentação, permitindo que ela opere em espaço livre. Consulte a folha de dados para obter as dimensões recomendadas de afastamento. A área de exclusão costuma ser um pouco maior que a própria antena, e pode ser necessário manter a folga em todas as camadas da PCB. Projete sua placa com base no tamanho da antena e nas especificações de afastamento recomendadas.
Verifique os Requisitos de Comprimento do Plano de Terra
Antenas SMD (surface-mount device) geralmente precisam de um plano de terra para irradiar energia de forma eficaz. Esse plano atua como um espelho, equilibrando a reciprocidade da antena.
O plano de terra geralmente é mais longo que a antena, e seu comprimento depende da menor frequência de operação. A folha de dados especificará os requisitos do plano de terra, indicando que deve ser mantida uma área de exclusão sob a antena. Se o espaço for limitado, recomendamos selecionar uma antena que exija um plano de terra menor, mas que ainda atenda aos padrões de eficiência de radiação.
A Figura 2 mostra que o plano de terra pode estar adjacente à antena, localizado abaixo dela ou ambos.
A distância entre a antena e o plano de terra também é crucial e deve seguir as especificações da folha de dados da MIOT. Como cada antena é diferente, os requisitos do plano de terra podem ser decisivos na escolha da antena.
A linha de alimentação conecta a antena ao rádio. Uma linha de transmissão mal projetada pode reduzir o desempenho da antena em até 50%. Essa parte do projeto requer atenção especial.
Dois princípios importantes de design:
Posicione o circuito de RF próximo à antena para minimizar a perda de transmissão. Uma linha de transmissão bem projetada com vias distribuídas regularmente nas bordas ajuda a reduzir ruídos e perdas de sinal.
Considere todas as camadas do empilhamento da PCB; evite traçados diretamente acima ou abaixo da antena. Todas as linhas de transmissão devem ser projetadas com impedância característica de 50 Ω.
Considere Antenas Alternativas
Antenas SMD são úteis devido ao seu pequeno tamanho, mas existem outras opções. Antenas de circuito impresso flexível (FPC) oferecem alternativas valiosas de design em alguns casos.
A Figura 3 mostra exemplos de antenas SMD e FPC projetadas e fabricadas pela MIOT.
As antenas FPC conectam-se ao circuito por meio de um cabo coaxial RF embutido e oferecem diversas opções de conexão. Elas podem ser instaladas em diferentes locais dentro do dispositivo, sem ocupar espaço na PCB. Podem ser dobradas ou curvadas, oferecendo flexibilidade de posicionamento, por exemplo, dentro do invólucro do dispositivo.
Outro benefício das antenas FPC é que não exigem plano de terra, o que simplifica a integração. No entanto, o cabo coaxial torna-se parte da antena, então seu roteamento exige cuidado. Recomendamos manter essa parte afastada de componentes que possam gerar ruído ou interferência.
As antenas FPC são práticas, mas a escolha entre FPC e SMD depende da natureza do dispositivo, do processo de fabricação e do volume de produção. Antenas FPC são fixadas com adesivo e colocadas manualmente, ideais para produção em pequena escala, menor tempo de entrega e montagem manual. Já as antenas SMD podem ser instaladas automaticamente em máquinas pick-and-place, sendo mais adequadas para produção em larga escala com menor custo de mão de obra.
Conclusão
Em geral, o uso de antenas de baixo perfil e alto desempenho facilita o processo de design. No entanto, o projeto de RF é complexo, sendo recomendável consultar um especialista em RF antes de finalizar o projeto. Na maioria dos casos, o design deve ser testado em uma câmara anecoica para verificar seu desempenho e identificar emissões indesejadas.
Sobre a MIOT
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Ajudamos empresas a acelerar sua jornada rumo à Internet das Coisas (IoT), removendo barreiras técnicas e simplificando a integração sem fio. A MIOT projeta e fornece uma ampla gama de componentes RF, incluindo antenas, cabos RF, invólucros, montagens de PCB e acessórios—com suporte de engenharia especializada e opções de personalização flexível.
Suporte e Serviços
Além do hardware, a MIOT oferece uma variedade de serviços e suporte personalizados para garantir o sucesso do seu projeto:
Suporte gratuito para seleção e casamento de antenas
Montagens de cabos personalizadas e soluções de conectores RF
Suporte ODM e EMS para hardware de IoT
Sintonização e otimização de antenas para seu dispositivo
Consultoria em design e orientação técnica, do conceito ao lançamento
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