¿Es posible diseñar una antena GSM/GPRS que tenga una ganancia de 3dBi? Si no es así, ¿cuál es la máxima ganancia posible con una antena GSM/GPRS grabada en PCB?
Estoy pensando en un PCB de 11cm de largo y 5cm de ancho. Se puede utilizar FR4 de material de mayor calidad para PCB si es necesario. Sólo quiero saber si es posible.
Sí, por supuesto que es posible. Sólo hay que tener en cuenta que las antenas no son mágicas. Una antena perfectamente isotrópica (patrón de recepción esférico) no puede ser mejor que 0dBi. Cualquier antena con una ganancia superior a la unidad lo hace teniendo una ganancia inferior a la unidad en ciertas direcciones mientras tiene una ganancia superior a la unidad en otras. Ya sabes, el patrón de ganancia.
Me gusta pensar en las antenas como algo análogo al vaso reflector de una linterna: en realidad no aumenta la cantidad de luz que emite la bombilla de la linterna, simplemente la concentra en un cono. Las antenas son similares.
Entonces, ¿se puede crear una antena que tenga una ganancia de ~3dBi para las frecuencias celulares? Por supuesto. Se puede crear una antena de PCB que tenga más de 11dBi (haciendo una antena de estilo yagi usando trazos de pcb) si quieres. El pcb sería enorme, y la direccionalidad requeriría que la tuvieras apuntando directamente a la torre celular, pero funcionaría, seguro.
En cuanto a algo práctico, una simple antena estilo dipolo/látigo, pero en una pcb, es fácil de hacer y debería obtener 2dBi fácilmente, aunque a costa de un patrón de radiación toroidal. Este patrón de radiación es muy adecuado para el uso de la red celular, sin embargo, siempre y cuando la orientación es bastante constante. Este es el mismo patrón de radiación que tienen la mayoría de los routers y receptores wifi.
Un dipolo de 1/2 onda (solo hay que buscar en google pcb dipole para tener una idea de las geometrías bastante abundantes que se pueden usar en una pcb para implementar un dipolo) debería darte 2dBi-2.1dBi de ganancia fácilmente. A 1800MHz, una frecuencia típica de GSM, esto requeriría (en la geometría de recepción más eficiente pero también menos eficiente en tamaño) unos 8,3cm de longitud de traza de cobre en línea. En otras palabras, tu pcb tendría que ser, en su mayor longitud, ligeramente superior a 8,3cm.
La forma más fácil de conseguir una ganancia de 3dBi sería simplemente un array colineal de 2 elementos. Se trata simplemente de dos dipolos de 1/2 onda en el mismo plano. Esto requeriría una pcb de aproximadamente 17cm de largo desafortunadamente. Sin embargo, se obtendría el doble de ganancia que con un solo dipolo, lo que equivale a unos 3dBi.
Así que sí, no sólo es posible, sino bastante trivial dependiendo de lo grande que estés dispuesto a ir. Estoy seguro de que hay geometrías más eficientes con patrones de radiación igualmente aceptables, cualquiera de las cuales podría implementarse en forma de PCB. Y a 1800MHz, la pérdida dieléctrica del FR4 es lo suficientemente pequeña como para poder ignorarla en estas escalas.
En teoría, se podría simplemente escalar cualquiera de las geometrías de antena pcb 3dBi de 2,4GHz disponibles a la longitud de onda de 1800MHz (o lo que sea) y obtener resultados similares.
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