Design de antena Microstrip Patch: calculadora para cobre

Por que as antenas de patch estão em toda parte

Abra qualquer roteador WiFi, receptor GPS ou telefone 5G e você encontrará pelo menos uma antena microstrip patch. Eles são planos, baratos de fabricar e se integram diretamente aos PCBs. A compensação? Eles são de banda estreita e requerem um dimensionamento cuidadoso para atingir sua frequência alvo.

A ideia básica é simples: uma mancha retangular de cobre fica acima de um plano de solo, separada por um substrato dielétrico. O adesivo atua como uma cavidade ressonante e as dimensões determinam a frequência de operação. Erre o comprimento em alguns por cento e a ressonância da sua antena muda o suficiente para reduzir sua perda de retorno.

A física em resumo

Uma antena retangular irradia de suas duas “bordas radiantes” — as bordas perpendiculares à direção de alimentação. O comprimento do patch $L$ é aproximadamente meio comprimento de onda no material do substrato, representando os campos de franja que tornam o comprimento efetivo um pouco maior que o comprimento físico.

A frequência de ressonância está relacionada ao comprimento do patch por:

onde $L_{eff}$ é o comprimento efetivo (comprimento físico mais extensão da franja),$\\varepsilon_{eff}$ é a constante dielétrica efetiva e $c$ é a velocidade da luz.

A constante dielétrica efetiva explica o fato de que algumas linhas de campo viajam pelo ar acima da mancha, não apenas pelo substrato. Para uma estrutura de microfita:

A largura do patch $W$ afeta a eficiência da radiação e a impedância de entrada. Uma mancha mais larga irradia com mais eficiência, mas também altera a constante dielétrica efetiva. Existe um ideal prático que equilibra a eficiência com o desafio de correspondência de impedância.

Exemplo resolvido: WiFi de 2,4 GHz no FR4

Vamos projetar uma antena patch para WiFi de 2,4 GHz usando substrato FR4 padrão. Este é provavelmente o cenário de design de antena patch mais comum — substrato barato, frequência bem compreendida.

Parâmetros fornecidos:

• Frequência: 2,4 GHz
• Substrato: FR4,$\\varepsilon_r = 4.4$- Altura do substrato: 1,6 mm (espessura padrão)

Etapa 1: calcular a largura do patch

A largura para uma boa eficiência de radiação é:

Largura de trabalho:$W = 0.0625 \times 0.609 = 38.1$ mm

Etapa 2: Calcular a constante dielétrica efetiva

Com $W = 38.1$ mm e $h = 1.6$ mm:

Etapa 3: Calcular a extensão da franja

Os campos de franja estendem o comprimento efetivo em $\\Delta L$ em cada borda:

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

Etapa 4: Calcular o comprimento do remendo

Portanto, as dimensões do nosso patch são aproximadamente 38 mm × 29 mm. A impedância de alimentação de borda será de cerca de 200-300 Ω, e é por isso que você precisa de uma alimentação embutida ou de um transformador de um quarto de onda para corresponder a 50 Ω.

Ao abrir a Calculadora de Antena Microstrip Patch, você obterá esses valores instantaneamente, além da impedância de alimentação da borda e do ganho esperado. A calculadora também manipula o cálculo do deslocamento de alimentação para alimentação por inserção, o que evita que você repita a matemática da rede correspondente.

A seleção de substrato é mais importante do que você pensa

O FR4 é barato e está disponível, mas honestamente não é ótimo para antenas acima de 3-4 GHz. A tangente de perda (normalmente 0,02) prejudica sua eficiência, e a constante dielétrica varia o suficiente de lote para lote para que sua frequência de ressonância possa mudar de 2 a 3%. Para produtos WiFi de produção, a maioria dos engenheiros aceita isso e ajusta durante a prototipagem.

O Rogers RO4003C ($\\varepsilon_r = 3.55$, tangente de perda 0,0027) custa talvez 10 vezes mais, mas oferece resultados consistentes e uma eficiência muito melhor a 5,8 GHz e acima. Para trabalhar com ondas de 5G mm de 28 GHz, você basicamente não tem escolha — as perdas de FR4 acabariam com seu orçamento de links.

A constante dielétrica mais baixa de Rogers também significa maiores dimensões de patch para a mesma frequência, o que pode realmente ajudar nas tolerâncias de fabricação. Um patch de 28 GHz no FR4 seria pequeno e incrivelmente sensível às variações de gravação.

Erros e pegadinhas comuns

Ignorando o tamanho do plano terrestre

A calculadora assume um plano de solo infinito, o que é uma aproximação razoável se o solo se estender pelo menos $\\lambda/4$ além das bordas do remendo. Economize no plano terrestre e seu padrão distorcerá, sua impedância mudará e a radiação do lóbulo traseiro aumentará. Já vi engenheiros tentarem inserir um patch de 2,4 GHz em uma placa de 40 mm × 40 mm e se perguntarem por que a perda de retorno é de 6 dB em vez de 15 dB.

Usando a constante dielétrica errada

Os valores da folha de dados para $\\varepsilon_r$ são normalmente especificados em 1 MHz. A 2,4 GHz, o FR4 está mais próximo de 4,2-4,3 do que 4,4. Em 5,8 GHz, pode ser 4,0. Essa dependência de frequência não é enorme, mas basta mudar sua ressonância em 50-100 MHz se você não tomar cuidado. Para projetos críticos, meça seu substrato real ou obtenha dados específicos de frequência do fabricante.

Esquecendo o feed

A calculadora fornece impedância de alimentação de borda, que normalmente é de 150 a 300 Ω, dependendo da sua geometria. Você não pode simplesmente passar uma linha de microfita de 50 Ω até a borda do patch e esperar uma boa combinação. Você também precisa de:

• Uma alimentação embutida (entalhe cortado no adesivo) para atingir um ponto de 50 Ω
• Um transformador de um quarto de onda
• Uma sonda alimentada por baixo

O parâmetro de deslocamento de alimentação na calculadora ajuda você a encontrar a profundidade de inserção para uma correspondência de 50 Ω. Na prática, isso é iterativo — a calculadora fornece um ponto de partida, mas você provavelmente precisará ajustar a simulação.

Supondo que o número de ganho seja o que você realmente obterá

A saída de ganho nominal (normalmente de 5 a 7 dBi para um único patch) pressupõe uma combinação perfeita, sem perdas de substrato e um plano de solo infinito. O ganho no mundo real geralmente é 1-2 dB menor. Para FR4 a 5,8 GHz, subtraia outro dB para perdas dielétricas. O número é útil para vincular estimativas de orçamento, mas não prometa isso ao seu cliente.

Não contabiliza a máscara de solda

A máscara de solda sobre o adesivo adiciona outra camada dielétrica que muda sua frequência de ressonância para baixo. É um efeito pequeno (talvez 1-2%), mas nas frequências mmWave isso é suficiente para importar. Mantenha a área do adesivo livre da máscara de solda ou considere a troca dielétrica efetiva.

Quando as antenas de patch são a escolha errada

As antenas patch são ótimas para integração plana e cobertura hemisférica, mas são de banda estreita — normalmente de 2 a 5% de largura de banda. Se você precisar cobrir as bandas WiFi de 2,4 GHz e 5,8 GHz com uma antena, um patch não funcionará. Você precisaria de um design de banda larga, como um Vivaldi, ou de uma estrutura de banda dupla com elementos radiantes separados.

Eles também são ineficientes quando o substrato é eletricamente fino. A resistência à radiação diminui à medida que a altura do substrato diminui, o que significa mais perda de energia para perdas dielétricas e condutoras. Para substratos muito finos (< 0,01λ), você pode obter apenas 50% de eficiência, mesmo com materiais de baixa perda.

E se você precisar de cobertura omnidirecional, um patch está fundamentalmente errado — eles irradiam na lateral com um nulo ao longo do plano terrestre. Em vez disso, use um monopolo ou dipolo.

Experimente

A matemática acima é simples, mas tediosa de repetir em cada iteração de design. Abra a calculadora de antena Microstrip Patch para obter dimensões instantâneas para sua combinação de frequência e substrato. Insira seus parâmetros, obtenha a largura e o comprimento do patch, verifique a impedância da borda e use o deslocamento de alimentação para planejar sua abordagem de correspondência. Em seguida, coloque esses números em seu simulador EM para otimização final — a calculadora leva você até 90% do caminho, mas nada substitui uma simulação de onda completa para projetos de produção.