Antenas hechas en PCB

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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.

Antenas hechas en PCB

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.

Antenas hechas en PCB

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.

Antenas hechas en PCB

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.

Antenas hechas en PCB

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.

Antenas hechas en PCB

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.

Antenas hechas en PCB

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!


Avatar de Mario
Autor: Mario
  • demente

    excelente Mario, esto es lo que estaba buscando hace tiempo!!!

  • Anónimo

    saludos

    como lo comenta Mario, hay muchos circuitos que usan este tipo de antenas, como por ejemplo hay celulares que se les coloca una antena tipo flex aderida donde va la batería y en algunos casos se la conecta internamente para aumentar su recepcion.

    lo ensayare con mis modulos.

    gracias por el aporte

  • Anónimo

    Exelente!!

    En esto de las antenas que no es nada sencillo y nada se pone o se hace al azar,que bien que expliques sobre estas y otros tipos de antenas

  • Anónimo

    no me canso de decirlo… LARGA VIDA MARIO! LARGA VIDA MARIO! LARGA VIDA MARIO!!!

  • Anónimo

    saludos

    despues de leer la explicacion y de ver el tipo de formulas que este tipo de antenas requiere, me quedan muchas dudas, ya que al reducir tamaño sacrifico alcance, mirando tutoriales comparten la idea de mario de que el ancho de pistas debe ser no mayor a 2mm, pero que hace que sea asi debe exitir alguna explicacion un poco mas detallada? segun recuerdo un profesor que yo tenia en la universidad siempre me recalco..jamas hacer pistas de 90 grados menos para antenas, hasta cuando uno ve diseño de impresos le dicen lo mismo, ya que estos son focos donde se irradia la señal.

    de igual manera comparto la opinion de Mario de que para analizar una antena no solo se requiere ser ING si no una postgrado enfatizado a antenas, por tanto me quedan mis inquietudes,yo se que esta el video, pero esta bueno para estudiarse con analizador de espectro, un buen vatimetro entre otros, para mejorar mas las carateristicas descritas por Mario, ya sea cambiando grosor de pista, haciendo redonda la espira, usar una PCB de mayor grosor en su cobre, aumentar tamaño de espaciado etc.

    este tema esta perfecto para el foro y que otras personas con mucha experiencia en el tema (cosa que yo no tengo) nos expliquen condetalle este articulo y sus posibles calculos, si es presiso analisis virtual.

    • Anónimo

      #5
      Eso es una de las partes interesantes de los profesores Universitarios … parecen los sacerdotes que te enseñan como educar tus hijos cuando ellos nunca fueron padres ….

      "…segun recuerdo un profesor que yo tenia en la universidad siempre me recalco..jamas hacer pistas de 90 grados menos para antenas, hasta cuando uno ve diseño de impresos le dicen lo mismo, ya que estos son focos donde se irradia la señal…"

      Pero se olvidó de poner énfasis en que eso es cuando trabajas en frecuencias por encima de los 2 o 3Ghz ya que eleva la SWR. Aquí estamos muy lejos de trabajar en esas frecuencias.

      Si te interesa el tema, puedes leer este material:
      http://www.qsl.net/va3iul/Microstrip_Stripline_CPW_Design/Microstrip_Stripline_and_CPW_Design.pdf

      No sé donde estarán doctorados los autores de ese trabajo, pero está interesante y lo que tú mencionas está explicado en la página 13. En el resto del trabajo está lleno de antenas con ángulos rectos.

      Si no se pudieran hacer ángulos rectos, no existirían, por ejemplo, las antenas fractales: http://www.scienceprog.com/fractal-antenna-constructions/

      … o las de tipo Patch (Microstrip) o las que menciona en sus hojas de datos Microchip.

      O bien, toda esta gente no sabe nada …

      Luego agregas:
      "pero esta bueno para estudiarse con analizador de espectro, un buen vatimetro entre otros, para mejorar mas las carateristicas descritas"
      eso lleva una inversión de tiempo para realizar las experimentaciones y demostraciones con un costo importante en equipos de medición.
      Tiempo = Dinero
      Encuentra a alguien que lo haga. Como bien dices, en el foro agradeceremos la poca o mucha enseñanza que puedan transmitirnos a todos.

      Saludos!
      Mario

    • Anónimo

      #5
      Me olvidaba de esta parte de tu texto …

      "este tema esta perfecto para el foro y que otras personas con mucha experiencia en el tema (cosa que yo no tengo) nos expliquen condetalle este articulo y sus posibles calculos, si es presiso analisis virtual."

      OK, de acuerdo. Que lo hagan otros, prometo no molestar :))
      Saludos!
      Mario

  • MGT

    Muchas gracias por compartir su experiencia Mario. Saludos.

  • Anónimo

    saludos

    por el contrario, me interesa que su experiencia en el tema nos oriente y nos enseñe, ya que la experiencia no se improvisa, yo me refiero a mas personas como Mario, peritos en el tema de comunicaciones ,puedan hacer como un debate de conocimientos y mirar las diferentes perspectivas referente al tema, yo siempre he sido una persona que no es como el pollito que como y ya, eso nó, siempre me gusta cuestionarme para aprender, NEOTEO y Mario me ha enseñado y ha corregido en muchas cosas que uno da por sentado, como mencione en otro comentario, de otro tema muy diferente a este…ingeniero puede ser cualquiera , la teoría es una cosa, pero la practica vale mas.

    en la universidad uno digiere y recita libros de calculo, fisica, comunicaciones, campos y matematica etc…..eso se requiere un poco, pero quiero saber de donde salen los calculos, por que se hace asi, quien lo estipulo, como saco la conclusión, con que elementos los dedujo etc.

    sin de meritar a nadie como concepto propio, pienso y he visto que la mayoría de aportes en español se hacen desde argentina, esto nos indica un nivel muy elevado y basta preparación técnica y teórica en electrónica que otros países no la tienen, mi preparación es mas teórica y menos practica, es por eso que pido que mas personas se vinculen en comentarios y aportes técnicos así como nos enseña Mario.

    saludos….

  • Anónimo

    y me olvidaba, la información del pdf esta excelente, cuando lei el articulo consulte algo, hay algunos foros que hablaban del tema, pero el pdf esta buenísimo

    gracias

  • aibys

    Me gustaría construirlo ya que es muy practico para acoplarlo con muchos proyectos, seria mucho pedir los planos del circuito para ir a la fija.. por fa.síiiiiiiii.

  • aibys

    Mario, Me gustaria construirlo en casa ya que es muy practico acoplarlo con otros proyectos. Seria mucho pedir los planos correspondientes para dummies. se lo agradesco.

    • Anónimo

      #13
      ¿Planos?
      Es una placa de fibra con una única vía en espiral de de 16,5 centímetros de largo lineal …

      ¿O necesitas los esquemas de todo el sistema?
      Es la entrenadora NeoTeo el resto, con la placa del bootloaer (la que tiene el led verde que muestra el funcionamiento) + un par de módulos de UHF
      Utiliza el buscador del sitio y encontrarás todo. Todo está explicado en diferentes artículos en NeoTeo.
      Lo otro es lo que te indico. Una sola vía …

      Saludos!
      Mario

  • Carlos (ea3hah)

    Mario quisiera preguntarte una cosa. ¿Estas antenas servirían para transmitir desde muy lejos, pero muy alto?
    Me explico: para un pequeño sat que se ha de lanzar en breve, sus diseñadores están estudiando usar los 900 Mhz, pero pienso que por cuestiones de efecto doppler y por mas facilidad de seguimiento por parte de muchos "hams", los 70 cms serán idóneos. El "pajarito" sera muy pequeño, sera como una regla y llevara toda la electrónica necesaria y alimentación electrica por pila de polímero de litio. La órbita estará sobre los 100 kms y solo orbitara durante unos dias, semanas como mucho.
    ¿Tu que piensas? ¿Se podria usar lo que sugiero?

    73 de Carlos

    • Anónimo

      #15
      Hola Carlos! EA3HAH, esta es LU6DPP

      Yo creo que no será lo óptimo. Este es un tipo de antena muy puntual para aplicaciones muy-muy-muy específicas donde el espacio reducido es lo que interesa "y obliga". Además, no son totalmente omnidireccionales. Si viéramos el diagrama polar de la ganancia, de esta pequeñita, observarías que hay muchos puntos nulos (Nulls).
      Yo hice un par de videos moviéndome, pero para mostrar que puedo ubicarme en cualquier lado y que el alcance es "real".
      Muy fácil hubiera sido escribirlo en texto y que ustedes hagan los ensayos de rigor. Los videos estuvieron para eso, para decirles: "Vean, esto funciona"

      El caso que tú me cuentas, es para trabajar con yagis.
      Ya que será un evento especial y el tiempo de duración será breve, creo que valdrá la pena el esfuerzo de "seguir" el comunicado en forma manual con la antena.
      Por supuesto, a esto hay que sumarle la ganancia que te puede brindar una yagi respecto a este tipo de antenas reducidas. En breve estoy sacando un artículo acerca de la construcción de antenas yagi. Quizás te sea útil.

      Voto por la yagi Carlos. Te aseguras el comunicado y una buena señal de QSO.

      Todo esto es válido si tú me hablas de una estación en tierra.

      Si en cambio me hablas de colocar en el "pájaro de lata" este tipo de antenas, insisto en colocar una yagi apuntando a tierra. Sé que no es un montaje sencillo esto último, pero es una garantía como la anterior.
      Otra oción que tienen (para el móvil satelital) es una colineal múltiple que podría ir sujeta a la estructura y hecha con cable coaxial. También obtendrán buena ganancia y será una antena fácil de montar y elevar dentro de la cobertura de un sat.
      Si es un sistema automático el que coloca el satélite en su lugar de trabajo, voto por la colineal, si es un humano en órbita, voto por una pequeña Yagi de 4 elementos con 1W en antena … un cañonazo !!! :))

      Si quieres que sigamos hablando del tema, te invito a participar del Foro de Neoteo. Allí podremos extendernos en los comentarios.

      Saludos!
      73 & DX !
      EA3HAH, esta fué LU6DPP
      Abrazo!

  • Anónimo

    Es como un inductor impreso, creo que no es nada nuevo :S

  • Tacomagico

    No – es nada – sencillo
    No es nada ∴ es algo.
    Las antenas son algo sencillas.

    :S

  • Anónimo

    Simplemente genial, también estaba buscando esta información como también los cálculos para hacer inductancia en una PCB.
    Gracias ^__^

  • Florencia

    quisiera saber si la parte de abajo de la placa que contiene a la antena espiral está conectada a tierra? y el punto de de estaño que se aprecia en la foto une la linea de espiral de la antena con la señal del modulo transmisor/receptor, verdad?
    espero su respuesta, muchas gracias

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