Diseño RF embebido: Antenas de chip de cerámica frente a las antenas integradas en el PCB

Interior of modern café

Con el paso de los años, se ha producido un importante aumento de la cultura cafetera. Esto ha hecho que muchas cafeterías nuevas busquen formas de otorgar un aire creativo a su establecimiento. Así, pues, hemos visto aparecer híbridos de cafeterías y librerías, cafés gourmet con baristas expertos en los granos de café de la región, e incluso cafés para gatos. 

En el fondo, la gente tiene diferentes razones para frecuentar un café: para beber algo o tomar un bocadillo, para reunirse y charlar con sus amigos o para trabajar fuera de su oficina o de su casa. La guinda que se le pone al pastel puede ser lo que diferencia a cada comercio, pero los conceptos centrales son prácticamente los mismos. Pasa lo mismo cuando se trata de escoger los componentes para los PCBs. 

La demanda de transceptores RF embebidos, compactos, de alto rendimiento y bajo coste ha ido en aumento durante los últimos años con el desarrollo de la robótica, la IA y el internet de las cosas (IoT). Sin embargo, el coste, el diseño de la placa y la experiencia son características clave que influyen en las preferencias del diseñador sobre los diferentes tipos de antena, ya sea de chip de cerámica o las integrada en el PCB.

Antenas de PCB: Conoce tu rango de frecuencia

En el pasado, los diseñadores tenían en cuenta las compensaciones para su rango de frecuencia objetivo y solían optar por la antena integrada más fiable. Las antenas embebidas modernas están diseñadas para operar en un ancho de banda entre 400 megahercios y 5,5 gigahercios. Con la implementación de antenas de cerámica cada vez más fiables, asequibles y sencillas, es muy probable que la competencia esté empezando a echar chispas.

El hecho es que la colocación de una pista simple en la placa, a manos del diseñador con una herramienta CAD previo a la fabricación es mínima. Y a pesar del bajo coste de la antena integrada, todavía hay muchos casos en los que se prefiere la antena de chip de cerámica. El coste puede compensarse por el pequeño tamaño, la mayor facilidad de implementación y la mayor tolerancia a las interferencias ambientales que ofrece la antena de chip de cerámica.

Antenas integradas en el PCB

Las antenas integradas son extremadamente difíciles de diseñar, implementar y sintonizar, especialmente en el caso de placas de tamaño reducido que además han de ser muy fiables. Como pasa con una antena de hilo, el tamaño de una antena integrada dependerá de las frecuencias del ancho de banda con las que se quiera trabajar. Por ejemplo, a bajas frecuencias, la longitud de la antena tendrá que ser mucho mayor para que la integridad de la señal tenga resonancia. 

Las ventajas de elegir una antena integrada frente a una antena de chip de cerámica son:

  • La antena integrada se incrusta en la placa durante el proceso de fabricación.

  • Cuando se sintoniza de manera óptima, una antena integrada puede operar dentro de un ancho de banda amplio, al tiempo que ofrece a la red un alto nivel de fiabilidad y potencia.

  • Las antenas integradas tienen un perfil fino.

Las desventajas de usar antenas integradas son:

  • La dificultad para diseñarlas, especialmente para bajas frecuencias. Son muy susceptibles a cambios en el diseño de la placa, que requieren fine tuning después de cada cambio, o incluso repetir todo el proceso de fabricación.

  • Ocupan mucho más espacio que una antena de chip de cerámica, especialmente si se diseñan para bajas frecuencias. Cuanto mayor sea la superficie del PCB que ocupa, mayor será el coste del diseño.

  • Las antenas integradas son altamente susceptibles a las interferencias ambientales.

Las antenas integradas no se pueden alterar físicamente después de la fabricación. Si se requieren cambios, el usuario tendrá que modificar el diseño y fabricar la placa de nuevo. El tamaño potencialmente grande de la antena y la naturaleza lenta del proceso de diseño y sintonización, que generalmente implica la utilización de software de simulación y pruebas exhaustivas, pueden ser factores determinantes para que se acabe sustituyendo por una antena de chip cerámico. 

SIM card on PCB with antenna attached

Tu antena puede ser un poco diferente a esta, pero, en todo caso, el tamaño y la frecuencia seguirán siendo aspectos que preocupan.

Antena de chip de cerámica

Las antenas de chip de cerámica también requerirán generalmente sintonizarse con un analizador de red, pero difieren de las antenas integradas que no pueden ser manipuladas una vez impresa la tarjeta. Esto permite eliminar la necesidad de software de simulación y la costosa fabricación de nuevas placas prototipo, en cuyo caso los componentes anteriores se desperdiciarían.

Las antenas de chip de cerámica pueden ofrecer varias ventajas por sí solas:

  • Se puede obtener un tamaño reducido y una variedad de configuraciones.

  • No son tan sensibles a la interferencia de proximidad del ruido ambiental y sus componentes.

  • Los cambios en las directrices de diseño de la placa o en la disposición de lo componentes son más fáciles de acomodar sin necesidad de simulación. La antena de chip de cerámica se puede sintonizar más fácilmente o incluso reemplazar.

  • Las antenas de chip de cerámica también tienen sus desventajas:

  • El coste inicial de compra de las antenas de chip de cerámica y sus componentes necesarios es más alto. En la actualidad, una antena de chip estándar cuesta entre 0,10€ y 1,60€.

Las antenas de chip de cerámica son componentes que se añaden a la placa una vez finalizada la fase de diseño. Esta característica permite una mayor versatilidad de afinación durante el desarrollo. Como las antenas de chip de cerámica son SMT, permiten que ser reemplazadas fácilmente para acomodar modificaciones rápidas del hardware.

El diseño con antenas de chip de cerámica permite un mayor espacio en la placa, que permite incorporar componentes adicionales. Esta libertad añadida también podría perderse si se reduce el tamaño de la placa con el fin de ahorrar gastos de fabricación. Sería crítico para un PCB de múltiples capas que se vaya a fabricar en volumen, considerar el espacio de la placa que se está desperdiciando, ya que cada capa se agrega a un esquema de placa que contiene una antena integrada. 

Abstract sound waves representing frequency and amplification

Asegúrate de obtener la antena que mejor se adapte a tus necesidades de PCB: coste y utilidad. 

Resulta todo un desafío reducir al máximo el tamaño de la antena, minimizando el tiempo de sintonización e incrementando la intensidad de la señal, pero dejando espacio para que se añadan otros componentes deseables. Independientemente del método de implementación utilizado, lo mejor es probar exhaustivamente el prototipo final para determinar mediciones que se pueden llevar a cabo para determinar su viabilidad. 

Si se requiere un ajuste, éste se puede realizar de forma mucho más rápida y sencilla con un software potente de diseño de PCB. Si buscas software con funciones avanzadas, como el enrutamiento interactivo automático, un simulador de la distribución del consumo y el voltaje y un cambio sencillo del diseño de 2D a 3D, Altium Designer® tiene el entorno de diseño unificado que necesitas para lograr que un diseño de calidad.

Para hablar más a fondo sobre qué tipo de antenas son la mejor opción para tu PCB, o para aprender más sobre los requisitos de las diferentes frecuencias en general, ponte en contacto hoy mismo con un experto de Altium.

Acerca del autor

Altium Designer

PCB Design Tools for Electronics Design and DFM. Information for EDA Leaders.

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