Antenas hechas en PCB

por Mario 23 abril, 2012, 4:24 pm 19 Comments

La mayoría de los módulos de radio que existen en el mercado brindan, en sus hojas de datos, información sobre la potencia desarrollada por el módulo transmisor y sobre la sensibilidad del receptor. Sin embargo, lo que nos interesa saber en realidad es la distancia efectiva que podremos alcanzar con nuestro enlace de radio y eso es el resultado de la elección apropiada de la antena y su ubicación en el espacio. Para lograr resultados exitosos, tienes dos opciones reales. Una es estudiar durante años una carrera de ingeniería, con una especialidad orientada a las telecomunicaciones y la otra es experimentar las opciones que encontrarás en este artículo de NeoTeo. Hoy construiremos, de manera muy sencilla, una antena para UHF (433Mhz) sobre un PCB FR4 para ubicar en espacios muy pequeños.

Hay oportunidades en que un diseño necesita un enlace de radiofrecuencia para lograr una operatividad específica y que tú, como diseñador, debes definir durante el proceso de investigación de la aplicación a desarrollar. Una vez definida la banda de frecuencia que se utilizará para el enlace, llega la inevitable decisión de seleccionar la antena más apropiada para nuestros intereses y los del desarrollo. Es decir, a cualquiera de nosotros nos encantaría que la antena fuese un componente más, dentro de un PCB, pero la realidad es otra y lo que conocemos como “irradiante” debe tener medidas físicas que tienen una obvia relación con la longitud de onda que estamos intentando transmitir o recibir. Tal como vimos en otros artículos, tenemos la posibilidad de construir muchos tipos de antenas. De hecho, hemos realizado y visto en detalle los montajes y desarrollos de antenas dipolo de media onda y verticales de un cuarto de onda. Esta última, casualmente para la banda que utilizaremos hoy: UHF.

En el primer caso (dipolo de media onda) empleamos alambre para la construcción, mientras que en el segundo, observamos que se puede utilizar un fino caño de aluminio o cualquier material metálico y liviano. Este tipo de material brinda rigidez y soporte por sí mismo. Este método de construcción lo vimos en la antena empleada para bajar imágenes satelitales, la misma que usamos para escuchar el satélite ARISSat-1. Los problemas (que nunca faltan) comienzan cuando no tenemos los elementos o materiales específicos, o ideales, para la construcción de una antena, por ejemplo, cuando no se tienen caños de aluminio. Por fortuna, agudizando un poco el ingenio y utilizando otro tipo de materiales podemos fabricar nuestras antenas y uno de estos materiales puede ser la madera. Claro que no la utilizaremos en reemplazo directo del aluminio, ni como línea de transmisión (cable coaxial), pero sí podremos emplearla para que nos sirva de soporte o de “bastidor”. Podemos usar plástico, teflón, fibra de vidrio o baquelita y un ejemplo de aplicación sería la construcción de un simple dipolo de alambre, soportado por una estructura aislante como las que mencionamos antes.

Si has leído bien en el párrafo anterior, mencionamos a la fibra de vidrio. Eso no es otra cosa que el material de soporte de las placas FR4, por lo tanto, en pequeñas dimensiones podemos trabajar con este tipo de material. En lugar de utilizar alambre, como vimos en el gráfico anterior, podemos utilizar el mismo cobre depositado para dar forma a nuestro elemento irradiante. Aquí comienzan dos caminos: el que seguiremos nosotros con la construcción de una antena sencilla, en un PCB de simple faz y donde utilizaremos la resina como material de soporte. El otro camino es el de las antenas conocidas como “Microstrip” que permiten construir antenas, también pequeñas, pero con otros conceptos de diseño que no es nuestro interés desarrollar en este momento. En el enlace que te dejamos al pié del artículo podrás encontrar una interesante web donde se explica su funcionamiento y hasta podrás utilizar un sistema de cálculo en línea para diseñar tus antenas tipo Patch. Como nuestras antenas no requieren ese tipo de construcciones, nuestra línea de desarrollo seguirá la primera idea de diseño, la de utilizar la fibra como soporte y no como dieléctrico, concepto que diferencia nuestro trabajo de hoy de las antenas del tipo Microstrip.

Microchip posee una nota de aplicación donde se puede analizar y calcular antenas como las que haremos nosotros, pero de lazo completo (loop) y orientadas a su línea de microcontroladores rfPIC. Estas antenas, también construidas sobre un PCB, poseen una serie de lazos que se sintonizan con un capacitor (o condensador) variable que, cuando llegamos al ajuste final de la antena, es reemplazado por un capacitor de valor fijo. El tipo de antenas explicado en esta nota de aplicación es ideal para trabajar en frecuencias cercanas a 1Ghz (800-900Mhz) ya que allí será donde obtendremos las menores dimensiones finales del PCB. Nosotros deseamos trabajar en 433,92Mhz y la longitud de onda aquí es de 70 centímetros. La medida útil más corta que podemos emplear es de una antena de un cuarto de onda y eso significan (en la práctica) 16,5 a 17 centímetros. Si deseamos construir un micrófono espía o una aplicación que sea tan pequeña como las posibilidades mecánicas lo permitan, un cable de esa longitud no puede colgar de un transmisor o de un receptor. Si acortamos la longitud la antena deja de resonar, por lo tanto, una de las posibilidades firmes es la construcción de una antena utilizando un PCB de soporte.

Si alguna vez has visto el interior de un mando a distancia utilizado en las alarmas de los coches o en los sistemas de cierres centralizados de puertas y portones domiciliarios, los transmisores (que se utilizan como llaveros) llevan en su interior una antena impresa en el PCB en forma de espiral o en cuadrado como las etiquetas de identificación RFID. Esto significa entonces, varias cosas a agrupar: podemos utilizar un PCB FR4 como soporte para nuestra antena, podemos construirla en forma de espiral, ya sea en redondo o en terminaciones de ángulos rectos (cuadrado o rectángulo). El único dato fundamental que nos falta conocer es la longitud que debe tener el conductor que se encargará de formar esta espiral. Con vías de hasta un milímetro de ancho y con separación (entre vías) de uno a dos milímetros, la longitud será la misma que el monopolo de un cuarto de onda para la frecuencia deseada. En nuestro caso, realizamos ensayos para corroborar en la práctica esta teoría y lo puedes observar en las imágenes que te dejamos donde se aprecian los puntos de soldadura, luego de los “cortes” que intentamos realizar en el trazado.

Analizando en forma simple el desarrollo, cualquiera puede pensar que la presencia del FR4 sobre el cobre o la cercanía de una espira, respecto a las restantes, supondrían una variación en la longitud física del elemento irradiante, sin embargo, los mejores resultados de recepción fueron obtenidos con las medidas completas del trazado según la fórmula L = 72/ F (Mhz). Luego de algunos intentos de desarrollos teóricos fallidos, esta alternativa fue la más exitosa y es la que compartimos en los videos que ilustran este artículo. Por supuesto, no podemos adjuntar aquí un PCB ya que quizás tú necesites trabajar en otra frecuencia o tu deseo sea experimentar con otras longitudes (1/4, 3/8, 5/8, etc.) buscando diferentes resultados, menores tamaños o mejores desempeños. Nosotros en los videos te podemos mostrar que dentro de una casa “normal” y de tamaño medio, puedes tener cobertura de 10 metros sin problemas (y en ciertos escenarios favorables, más distancia aún). Por supuesto, esto mejora elevando el transmisor (Tx) respecto al receptor (Rx) y utilizando en uno de los dos módulos una antena apropiada (construcción física adecuada). Nosotros lo hicimos en el transmisor con 8 o 10mW de potencia de transmisión en RF, como te mencionamos antes y como se puede ver en el video.

En espacios despejados y libres de obstáculos, este enlace puede alcanzar hasta 20 metros sin problemas y con comodidad. Recuerda que estarás trabajando en ASK y la recepción apropiada, a diferentes velocidades en baudios, disminuye con la intensidad de la señal, por lo tanto, procura trabajar siempre con bajas velocidades de transmisión. Convengamos que a este tipo de módulos no los utilizamos para transmitir video en formato MPEG4 sino que siempre los empleamos para instrucciones sencillas de tramas de pocos bytes por transmisión y para realizar actividades simples, por lo tanto, velocidades de 1200bps serán muy útiles en todos los casos. Volviendo a nuestra antena hecha en PCB y orientándonos en su aplicación, intenta despejarla del módulo que la acompañe o de tu propio cuerpo, si la llevas incorporada en una prenda. Por lógica y como toda antena, debe mantenerse tan alejada como sea posible de cualquier gran objeto.

Como toda antena de un cuarto de onda que requiere un plano de tierra, la posibilidad óptima sería que nuestra antena PCB sea instalada en forma perpendicular al PCB que forma el módulo receptor (o el transmisor) para utilizar los generosos planos de GND o Tierra (la “masa” no existe) que estos poseen. En nuestro caso, eso no fue tenido en cuenta e igual logramos un alcance satisfactorio para nuestras necesidades.

Sin antena externa no podríamos lograr un enlace a más de medio metro (con suerte). Con antenas específicas, y que posean ganancias interesantes, podríamos realizar enlaces de más de 100 metros. Sin embargo, con nuestra antena construida sobre un pequeño trozo de PCB FR4 pudimos lograr alcances que seguramente pueden superar los 15 metros que parece un número pequeño, pero que si lo analizamos con detenimiento, es una distancia muy grande. Recuerda que estamos con 10mW, imagínate hasta donde podrías llegar con 5W en antena. Este es el campo favorito de experimentación de los aficionados a la radio, cuéntanos tus experiencias y cómo construyes tus antenas. Estamos en el Foro de Electrónica de NeoTeo siempre acompañados de buenos amigos para experimentar y desarrollar cada día, nuevos desafíos. ¡Te esperamos!

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