Use las PIFA para resolver el dilema de productos pequeños y antenas más pequeñas.

Con pocas excepciones, todas las antenas de uso general, que van desde antenas en miniatura en dispositivos portátiles hasta enormes diseños de transmisión, son extensiones, mejoras y modificaciones de dos tipos básicos. El dipolo equilibrado de media longitud de onda (Hertz) sin relación a tierra y el monopolo de cuarto de longitud de onda eléctricamente desequilibrado (Marconi) colocados en ángulo recto con respecto a un plano de tierra (Figura 1).

Figura 1: Las antenas dipolo de media onda y monopolo de cuarto de onda son los componentes básicos para casi todas las configuraciones de antenas avanzadas. (Fuente de la imagen: EnOcean)

Por supuesto, ningún tipo o configuración de antena sirve para todas las bandas y funciones necesarias en los sistemas modernos, como las grandes aeronaves comerciales (Figura 2).

Figura 2: Las aeronaves modernas requieren una gran cantidad y una amplia gama de tipos de antenas para cumplir con las diversas funciones y bandas que deben admitir. (Fuente de imagen: Boeing a través de SWLing Post)

Al usar estos dos tipos de antena como puntos de partida, los ingenieros han ideado innumerables variaciones que se adaptan a las necesidades y prioridades de las aplicaciones. Muchas de las aplicaciones actuales, como los teléfonos inteligentes o los dispositivos de Internet de las cosas (IoT), requieren una antena diminuta que encaje completamente dentro de la carcasa pequeña y funcione en varias bandas. La antena externa de "látigo" del walkie-talkie tradicional e incluso los teléfonos celulares de primera generación no puede cumplir con estos requisitos (Figura 3).

Figura 3: Uno de los primeros teléfonos celulares exitosos, este Motorola MicroTAC clásico, fue lanzado en 1991 y admitía una sola banda de RF a través de su antena de látigo extensible (monopolo). (Fuente de la imagen: CNN)

No son solo los sistemas como las aeronaves grandes los que necesitan capacidades multibanda que no se pueden lograr con una sola antena externa o interna. Incluso un teléfono inteligente relativamente anticuado, como el Samsung Galaxy de hace 10 años, necesitaba admitir diferentes frecuencias y modos a través de seis antenas distintas, con el plano conductor inferior (plano de tierra) extendiéndose a lo largo y ancho del teléfono (Figura 4).

Sus antenas eran las siguientes: 1: antena de transmisión/recepción (Tx/Rx) WiMAX de 2.6 gigahercios (GHz); 2: antena WiMAX de 2.6 GHz, solo Rx (utilizada como antena de diversidad); 3: antena Wi-Fi/Bluetooth Tx/Rx; 4: antena celular/PCS CDMA/EVDO Tx/Rx; 5: antena celular/PCS CDMA/EVDO Rx solamente (como antena de diversidad); 6: antena GPS, Rx solamente.

Figura 4: El Samsung Galaxy S de 2011 incorpora seis antenas distintas. (Fuente de imagen: RAYmaps)

La IFA conduce a la PIFA

Parte de la solución al dilema de la antena, ya sea única o múltiple, es buscar nuevas configuraciones que se basen en monopolos o dipolos pero que no estén limitadas por su factor de forma básico. Aquí es donde sobresale la antena planar con forma de F invertida (PIFA).

¿Qué es una PIFA? Comience con la antena con forma de F invertida (IFA), propuesta en 1958, que es el tercer paso en la evolución de la antena monopolo básica y una variante de la antena de parche (Figura 5). De lado, se parece un poco a la letra "F", de ahí su nombre.

Figura 5: El monopolo clásico ha pasado por varias etapas evolutivas, siendo la IFA la tercera etapa, inmediatamente anterior a la PIFA. (Fuente de imagen: Biblioteca Digital de la Unión Europea)

En esta disposición, el elemento monopolar corre paralelo a un plano de tierra y está conectado a tierra en un extremo, con una baja impedancia del orden de unos pocos ohmios (Ω). El clásico monopolo de longitud de onda λ/4 alimentado por base tiene una impedancia típica de 36.5 Ω.

La alimentación de la antena se coloca en un punto intermedio a poca distancia del extremo conectado a tierra. Al ajustar la ubicación de la alimentación, junto con otros "arreglos y ajustes", se puede hacer que su impedancia coincida con la alimentación del amplificador de potencia (PA), lo que lo convierte en un radiador eficiente sin la necesidad de componentes coincidentes adicionales.

La antena original con forma de F invertida usaba un cable doblado para un monopolo. La PIFA modifica la IFA mediante el uso de un elemento plano, colocado inmediatamente por encima del plano de tierra, con un pasador de cortocircuito entre ellos. La PIFA está definido por unas pocas dimensiones básicas (Figura 6).

Figura 6: La PIFA (izquierda) es una IFA modificada, con un elemento plano en lugar de un cable doblado sobre el plano de tierra; tiene algunas dimensiones críticas (derecha). (Fuente de las imágenes: Springer Nature; Biblioteca Digital de la Unión Europea)

Además de ser resonante a un cuarto de longitud de onda, lo que reduce el espacio necesario para la antena, la PIFA tiene otras propiedades de antena deseables, incluido un perfil bajo y un patrón omnidireccional. En un análisis de primer orden, la frecuencia de resonancia crítica de PIFA, f_r, está determinada por algunas dimensiones básicas y ecuaciones simples, donde λ es la longitud de onda, ε_r es la constante dieléctrica y c es la velocidad de la luz (Figura 7).

Figura 7: Estas tres ecuaciones relativamente simples usan las dimensiones de PIFA y algunas constantes físicas para calcular un análisis de primer orden de la frecuencia resonante de PIFA. (Fuente de imagen: Biblioteca Digital de la Unión Europea)

Por supuesto, un análisis completo del campo electromagnético debe agregarse a estas ecuaciones para admitir los efectos de las franjas, el grosor del material, los componentes cercanos y otras consideraciones del mundo real.

Las PIFA listas para usar facilitan el diseño

Las PIFA se pueden fabricar utilizando tecnología de placa de circuito impreso (PC) microstrip. Sin embargo, usar la placa de circuito impreso como plano de tierra es un desafío en la práctica, ya que hacerlo aumenta el tamaño de la placa, restringe el diseño de la placa de circuito impreso y reduce los grados de libertad que el diseñador puede usar como compensación. En su lugar, los diseñadores pueden utilizar PIFA estándar que están disponibles como componentes directos completos con rendimiento y atributos definidos. Estos no requieren espacio en la placa de circuito impreso para su plano de tierra subyacente e incluso permiten a los diseñadores hacer uso del espacio sobre la placa.

Por ejemplo, Taoglas tiene el modelo FXUWB20.01.0100C, que es un PIFA ultradelgado, flexible y de factor de forma pequeño para diseños de banda ultraancha (UWB) de 3 a 5 GHz y de 6 a 10 GHz (Figura 8). Mide 35 × 24.5 × 0.2 mm y se adhiere mediante un proceso simple de "sacar y pegar" a superficies no metálicas a través de un adhesivo 3M. Permite a los diseñadores usar solo una antena para cubrir simultáneamente todas las bandas comerciales UWB disponibles, de 1 a la 15.

Figura 8: La antena PIFA FXUWB20.01.0100C para 3 a 10 GHz mide 35 × 24.5 × 0.2 mm y está dirigida a aplicaciones UWB que utilizan las bandas comerciales 1 a 15. (Fuente de imagen: Taoglas)

La conexión eléctrica de la antena a la placa de circuito es simple gracias al cable coaxial integral de 100 mm de largo que termina con un conector SMA macho de 1.37 mm. La antena está diseñada para rechazar señales Wi-Fi de 5.8 GHz dentro del amplio rango de 3 a 10 GHz de los canales UWB comerciales (Figura 9).

Figura 9: La antena PIFA FXUWB20.01.0100C UWB para el espectro de 3 a 10 GHz tiene una muesca de ganancia a 5.8 GHz para atenuar las señales Wi-Fi no deseadas. (Fuente de imagen: Taoglas)

Conclusión

Las antenas son el circuito eléctrico crítico para el transductor inalámbrico. Vienen en innumerables formas, la mayoría basadas en configuraciones de monopolo y dipolo. La versión PIFA es pequeña y plana con un excelente rendimiento. Si bien la PIFA puede usar la placa de circuito del producto para su plano de tierra, las PIFA completas están disponibles como componentes discretos fáciles de instalar que ofrecen flexibilidad de diseño e instalación.

Contenido relacionado

"Antenna Design and Integration Fundamentals" ("Fundamentos de diseño e integración de antenas")

https://www.digikey.com/en/videos/d/digi-international/antenna-design-and-integration-fundamentals

"Antenna Selection Depends on Many Factors" ("La selección de la antena depende de muchos factores")

https://www.digikey.com/en/articles/antenna-selection-depends-on-many-factors

"Antenna Matching Within an Enclosure: Theory and Principle" ("Coincidencia de antenas dentro de un recinto: teoría y principio")

https://www.digikey.com/en/articles/antenna-matching-within-an-enclosure-theory-and-principle

"Understanding Antenna Specifications and Operation, Part 1" ("Comprender las especificaciones y el funcionamiento de la antena, parte 1") 

https://www.digikey.com/en/articles/understanding-antenna-specifications-and-operation

"Understanding Antenna Specifications and Operation, Part 2" ("Comprender las especificaciones y el funcionamiento de la antena, parte 2")

https://www.digikey.com/en/articles/understanding-antenna-specifications-and-operation-part-2

"Achieving RF Performance and Approvals" ("Lograr el rendimiento y las aprobaciones de RF")

https://www.digikey.com/en/articles/achieving-rf-performance-and-approvals

Referencias

1. EnOcean, nota de aplicación 102, "Antenna Basics – Basic Antenna Design Considerations for EnOcean based Products" (Conceptos básicos de antenas: consideraciones básicas de diseño de antenas para productos basados en EnOcean)
2. RAYmaps, "Antennas on Samsung Galaxy S" (Antenas en Samsung Galaxy S)
3. Antenna-Theory.com, "Inverted-F Antenna (IFA)" (Antena con forma de F invertida [IFA])
4. Antenna-Theory.com, "PIFA - The Planar Inverted-F Antenna" (PIFA: la antena planar con forma de F invertida)
5. Biblioteca Digital de la Unión Europea, "Multiband Planar Inverted F Antenna (PIFA) for ISM, WLAN and WiMAX Applications” (Antena planar con forma de F invertida (PIFA) multibanda para aplicaciones ISM, WLAN y WiMAX)