Diseño de antena Microstrip Patch: calculadora a cobre

Por qué las antenas de parche están en todas partes

Abre cualquier router WiFi, receptor GPS o teléfono 5G y encontrarás al menos una antena microstrip patch. Son planos, baratos de fabricar y se integran directamente en los PCB. ¿La compensación? Son de banda estrecha y requieren un dimensionamiento cuidadoso para alcanzar la frecuencia objetivo.

La idea básica es simple: un parche rectangular de cobre se encuentra sobre un plano del suelo, separado por un sustrato dieléctrico. El parche actúa como una cavidad resonante y las dimensiones determinan la frecuencia de funcionamiento. Si la longitud se equivoca un pequeño porcentaje, la resonancia de la antena se desplazará lo suficiente como para reducir la pérdida de retorno.

La física en resumen

Una antena de parche rectangular irradia desde sus dos «bordes radiantes», los bordes perpendiculares a la dirección de alimentación. La longitud del parche $L$ es aproximadamente la mitad de la longitud de onda del material del sustrato, teniendo en cuenta los campos periféricos que hacen que la longitud efectiva sea un poco más larga que la longitud física.

La frecuencia de resonancia se refiere a la longitud del parche de la siguiente manera:

donde $L_{eff}$ es la longitud efectiva (longitud física más extensión del borde),$\\varepsilon_{eff}$ es la constante dieléctrica efectiva y $c$ es la velocidad de la luz.

La constante dieléctrica efectiva explica el hecho de que algunas líneas de campo viajan a través del aire por encima del parche, no solo a través del sustrato. Para una estructura de microbandas:

El ancho del parche $W$ afecta a la eficiencia de la radiación y a la impedancia de entrada. Un parche más ancho irradia de manera más eficiente, pero también cambia la constante dieléctrica efectiva. Existe un óptimo práctico que equilibra la eficiencia con el desafío de igualar la impedancia.

Ejemplo resuelto: WiFi de 2.4 GHz en FR4

Diseñemos una antena de parche para WiFi de 2.4 GHz utilizando un sustrato FR4 estándar. Este es probablemente el escenario de diseño de antena de parche más común: un sustrato barato, una frecuencia bien entendida.

Parámetros dados:

• Frecuencia: 2.4 GHz
• Sustrato: FR4,$\\varepsilon_r = 4.4$- Altura del sustrato: 1,6 mm (grosor estándar)

Paso 1: Calcular el ancho del parche

El ancho para una buena eficiencia de radiación es:

Trabajando a través de:$W = 0.0625 \times 0.609 = 38.1$ mm

Paso 2: Calcular la constante dieléctrica efectiva

Con $W = 38.1$ mm y $h = 1.6$ mm:

Paso 3: Calcular la extensión de franque

Los campos marginales amplían la longitud efectiva en $\\Delta L$ en cada borde:

Conexión:$\\Delta L = 0.412 \times 1.6 \times \frac{(4.09 + 0.3)(23.8 + 0.264)}{(4.09 - 0.258)(23.8 + 0.8)} = 0.74$ mm

Paso 4: Calcular la longitud del parche

Por lo tanto, las dimensiones de nuestro parche son aproximadamente 38 mm × 29 mm. La impedancia alimentada por los bordes será de alrededor de 200 a 300 Ω, por lo que necesitará una alimentación de inserción o un transformador de un cuarto de onda para que llegue a 50 Ω.

Cuando abras la calculadora de antenas Microstrip Patch, obtendrás estos valores al instante, además de la impedancia de alimentación de los bordes y la ganancia esperada. La calculadora también se encarga del cálculo de la compensación de alimentación para la alimentación por inserción, lo que evita que tengas que repetir los cálculos de red correspondientes.

La selección del sustrato importa más de lo que cree

El FR4 es barato y está disponible, pero sinceramente no es ideal para antenas de más de 3-4 GHz. La tangente de pérdida (normalmente 0,02) reduce la eficiencia, y la constante dieléctrica varía lo suficiente de un lote a otro como para que la frecuencia de resonancia pueda variar entre un 2 y un 3%. En el caso de los productos WiFi de producción, la mayoría de los ingenieros lo aceptan y lo ajustan durante la creación de prototipos.

El RO4003C de Rogers ($\\varepsilon_r = 3.55$, tangente de pérdida 0,0027) cuesta quizás 10 veces más, pero ofrece resultados consistentes y una eficiencia mucho mayor a 5,8 GHz y más. Para trabajar en redes 5G mmWave de 28 GHz, básicamente no tienes otra opción: las pérdidas del FR4 acabarían con tu presupuesto de enlace.

La constante dieléctrica más baja de Rogers también significa dimensiones de parche más grandes para la misma frecuencia, lo que de hecho puede ayudar con las tolerancias de fabricación. Un parche de 28 GHz en el FR4 sería diminuto e increíblemente sensible a las variaciones de grabado.

Errores y trampas comunes

Ignorar el tamaño del plano de tierra

La calculadora asume un plano de tierra infinito, lo cual es una aproximación razonable si el terreno se extiende al menos λ /4 más allá de los bordes del parche. Si escatimas en el plano del suelo, el patrón se distorsiona, la impedancia cambia y la radiación del lóbulo posterior aumenta. He visto a ingenieros intentar introducir un parche de 2,4 GHz en una placa de 40 mm × 40 mm y preguntarse por qué su pérdida de retorno es de 6 dB en lugar de 15 dB.

Usar la constante dieléctrica incorrecta

Los valores de la hoja de datos para $\\varepsilon_r$ se especifican normalmente en 1 MHz. A 2,4 GHz, el FR4 está más cerca de 4,2-4,3 que de 4,4. A 5,8 GHz, podría ser de 4,0. Esta dependencia de la frecuencia no es enorme, pero es suficiente para cambiar la resonancia entre 50 y 100 MHz si no se tiene cuidado. Para diseños críticos, mida su sustrato real u obtenga datos específicos de frecuencia del fabricante.

Olvidarse del feed

La calculadora le proporciona la impedancia de alimentación de los bordes, que suele ser de 150 a 300 Ω, según su geometría. No puedes simplemente colocar una microlínea de 50 Ω hasta el borde del parche y esperar una buena coincidencia. Necesitas una de las siguientes opciones:

• Una alimentación insertada (con una muesca cortada en el parche) para alcanzar un punto de 50 Ω
• Un transformador de un cuarto de onda
• Una sonda alimentada desde abajo

El parámetro de compensación de alimentación de la calculadora le ayuda a encontrar la profundidad de inserción para una coincidencia de 50 Ω. En la práctica, esto es iterativo: la calculadora te proporciona un punto de partida, pero es probable que tengas que ajustar la simulación.

Suponiendo que el número de ganancia es lo que realmente obtendrás

La salida de ganancia nominal (normalmente de 5 a 7 dBi para un solo parche) supone una coincidencia perfecta, sin pérdidas de sustrato y un plano de tierra infinito. La ganancia en el mundo real suele ser de 1 a 2 dB más baja. Para FR4 a 5,8 GHz, reste otro dB para las pérdidas dieléctricas. El número es útil para vincular estimaciones presupuestarias, pero no se lo prometas a tu cliente.

No se tiene en cuenta la máscara de soldadura

La máscara de soldadura sobre el parche agrega otra capa dieléctrica que desplaza la frecuencia de resonancia hacia abajo. Es un efecto pequeño (tal vez del 1 al 2%), pero a frecuencias de ondas milimétricas es suficiente para que importe. Mantén la zona del parche libre de máscara de soldadura o ten en cuenta el cambio dieléctrico efectivo.

Cuando las antenas de conexión son la elección incorrecta

Las antenas tipo parche son excelentes para la integración plana y la cobertura hemisférica, pero son de banda estrecha, normalmente entre un 2 y un 5% de ancho de banda. Si necesitas cubrir las bandas WiFi de 2,4 GHz y 5,8 GHz con una sola antena, un parche no servirá. Necesitarías un diseño de banda ancha como el de Vivaldi o una estructura de doble banda con elementos radiantes independientes.

También son ineficientes cuando el sustrato es eléctricamente delgado. La resistencia a la radiación disminuye a medida que disminuye la altura del sustrato, lo que se traduce en una mayor pérdida de energía a causa de pérdidas dieléctricas y conductoras. En el caso de sustratos muy delgados (< 0,01λ), es posible que solo se obtenga una eficiencia del 50%, incluso con materiales de bajas pérdidas.

Y si necesitas una cobertura omnidireccional, un parche es fundamentalmente incorrecto: irradian de lado a lado con un nulo a lo largo del plano del suelo. En su lugar, utilice un monopolo o un dipolo.

Pruébalo

Los cálculos anteriores son sencillos pero tediosos de repetir en cada iteración del diseño. Abra la calculadora de antenas Microstrip Patch para obtener las dimensiones instantáneas de su combinación de frecuencia y sustrato. Introduce tus parámetros, calcula el ancho y el largo del parche, comprueba la impedancia de los bordes y utiliza el desfase de alimentación para planificar el enfoque adecuado. A continuación, introduzca esos números en su simulador electromagnético para realizar la optimización final. La calculadora le ayudará a conseguirlo en un 90%, pero nada puede reemplazar a una simulación de onda completa para los diseños de producción.