¿Cómo funciona una antena chip?

Las antenas de resonador dieléctrico , comúnmente conocidas como chip , funcionan creando una onda estacionaria de campo eléctrico de una frecuencia determinada. Técnicamente, son resonadores de cavidad donde la cavidad entre las superficies conductoras se llena con un núcleo cerámico. El modo de oscilación real estará definido por la geometría de la antena. En el caso más simple, la geometría será de dos placas paralelas espaciadas por$\dfrac{\lambda} {\sqrt{\epsilon}}$de dieléctrico (donde$\epsilon$es la constante dieléctrica), para dar cabida a una onda estacionaria completa:

Dichos resonadores tienen propiedades similares a las antenas dipolo clásicas. El patrón de radiación de una antena de chip típica (a la derecha, fuente ) es prácticamente idéntico al patrón de un dipolo (a la izquierda, fuente ):

(ambas antenas están orientadas verticalmente, al igual que las secciones del patrón de radiación)

La diferencia es que en lugar de una estructura metálica, la onda estacionaria en la antena de chip se crea dentro de un chip dieléctrico con una constante de permitividad alta. Esto trae dos ventajas principales:

• la alta permitividad reduce el tamaño de la antena para la misma longitud de onda
• las estructuras metálicas se vuelven cada vez más con pérdidas a medida que aumenta la frecuencia, los resonadores dieléctricos no sufren estas pérdidas

Debido a estas propiedades, las antenas de chip se utilizan a menudo en aplicaciones móviles y de alta frecuencia, como GPS o radios de 2,4 GHz.

Para leer más, recomendaría esta nota de aplicación de TI que analiza muchos diseños diferentes de antenas de PCB, incluidas 3 antenas de chip diferentes:

Para analizar la fabricación y la estructura de las antenas de chip, considere primero algunas imágenes de antenas con patrones de metalización obvios:

De Mitsubishi Materials, el AM11DP-ST01* :

Existe una línea completa de estas antenas con metalización externa visible para operación de aplicación amplia o estrecha. El más pequeño, AM03DG-ST01 , mide unos 3,2 mm de largo.

El núcleo de estas antenas es un compuesto cerámico patentado que se describe en la propaganda comercial de la línea de productos de antenas como:

Las antenas de chip dieléctrico de montaje en superficie son el resultado de armonizar nuestra larga experiencia en tecnologías de proceso y materiales cerámicos para aplicaciones de alta frecuencia junto con tecnologías de diseño de RF de vanguardia.

Sin embargo, estas antenas no necesitan construirse con bases de cerámica rígidas. Por ejemplo, el Molex 47948-0001 con "LCP-LDS, Vectra E840ILDS , 40 % de grado LDS lleno de mineral" como material estructural/dieléctrico principal:

Aquí, la metalización de la antena se agrega al polímero lleno de minerales en un proceso conocido como estructuración directa por láser. En este proceso (descargue la presentación en PDF) , se definen geometrías de precisión fina marcando el material moldeado por inyección con un láser y luego adjuntando materiales conductores a las áreas marcadas. Este material conductor permite el revestimiento sin electricidad de cobre/níquel/oro para formar la metalización completa de la estructura de la antena. Además, esta antena está diseñada para no requerir espacio libre en el plano de tierra, lo que permite montarla con componentes en el lado opuesto protegidos por un plano de tierra interior en la PCB.

Sobre el tema de los misteriosos chips de material que posiblemente se reconozcan más fácilmente como antenas de chip de cerámica , obviamente es poco probable que los diseños comerciales tengan publicado el diseño de estructuras metálicas internas. Para ver el interior de estas piezas de cerámica, alguien necesita publicar el diseño de las delicadas películas metálicas depositadas en el interior del material antes de la sinterización. El lugar para eso: revistas de investigación.

Comenzando con un diseño familiar de prisma rectangular para operación de doble banda de 900 MHz y 2100 MHz:

Otro diseño similar para operación UMTS (1920-2170MHz) que usa metalización dentro de un soporte cerámico:

También hay un diseño cerámico cilíndrico con metalización superficial para aplicaciones WiFi de doble banda de 2,4 GHz y 5 GHz:

Un diseño de metalización superficial final basado en la deposición superficial sobre un prisma rectangular de dieléctrico cerámico para operación ISM de 2,4 GHz:

Dada la amplia variedad de patrones metálicos interiores y exteriores utilizados, es casi seguro que las opciones estándar para antenas miniaturizadas no utilicen ningún diseño dominante. El uso de alta$\epsilon_r$materiales a granel (5-50) permite la creación de antenas resonadoras dieléctricas que son significativamente más pequeñas que la longitud de onda de la frecuencia de interés en el espacio libre (en$f = 300MHz$,$\lambda = 100 cm$; en$f = 5GHz$,$\lambda = 6 cm$).