Impacto da miniaturização no projeto de placas de circuito impresso para aplicações de radiofrequência

Abstract

Resumo: Este trabalho apresenta um estudo das vantagens e desafios da miniaturização de placas de circuito impresso (PCBs – printed circuit boards) para aplicações de radiofrequência (RF). A tendência de miniaturização de dispositivos observada nas últimas décadas e o atual cenário da Internet das Coisas vêm aumentando a demanda por dispositivos sem fio compactos e que comprimam grande funcionalidade em uma pequena área. A análise trazida neste trabalho baseia-se no projeto de duas diferentes micro- PCBs que virão a constituir um system in a package com suporte ao protocolo Bluetooth Low Energy e antena em chip embarcada. O projeto da primeira PCB, cujo objetivo era montar um sistema funcional, é detalhado desde a escolha dos componentes até o design do esquemático e layout. Duas versões da primeira PCB foram concebidas, uma com área de clearance ao redor da antena e outra sem. Testes voltados para RF foram conduzidos com o objetivo de traçar diagramas de radiação em ambiente controlado, mensurar a impedância na entrada da antena através dos parâmetros de espalhamento, e avaliar o comportamento da PCB em campo com medidas de latência, throughput e indicador de intensidade de sinal recebido em diferentes distâncias e com diferentes potências de transmissão. Pontos de melhoria foram apontados com base nos testes e o projeto da segunda PCB é apresentado, almejando de fato a miniaturização do sistema. Ao final, são compilados os impactos positivos e negativos resultantes da miniaturização da segunda PCB, levantados em termos de complexidade de fabricação, custo de produção, integridade de sinal e gerenciamento térmico

Abstract: This work presents a study of the benefits and challenges of the miniaturization of printed circuit boards (PCBs) for radio frequency (RF) applications. The trend towards device miniaturization seen in recent decades and the current Internet of Things scenario have been increasing the demand for compact wireless devices that squeeze a lot of functionality in a small space. The analysis presented in this work is based on the design of two different micro-PCBs that will form a system in a package supporting Bluetooth Low Energy protocol and embedding a chip antenna. The design of the first PCB, the aim of which was to set up a functional system, is detailed from the choice of components to schematic and layout design. Two versions of the first PCB were conceived, one with a clearance area around the antenna and the other without it. RF-oriented tests were conducted in order to draw the radiation patterns in a controlled environment, measure the input impedance of the antenna using scattering parameters, and evaluate the PCB behavior in the field with latency, throughput and received signal strength indicator measurements in different distances and with different output power values. Points for improvement were highlighted based on the tests and the design of the second PCB is presented, actually aiming at miniaturizing the system. At the end, both positive and negative impacts resulting from the miniaturization of the second PCB are compiled, gathered in terms of design complexity, production costs, signal integrity and thermal management