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Antenas para dispositivos IoT pequeños

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Artículo escrito por el Departamento Técnico de AVNET Abacus en el que se ofrecen hasta cuatro claves a la hora de seleccionar las antenas para dispositivos IoT pequeños.

Antenas para dispositivos IoT pequeños

La conectividad inalámbrica supone un respaldo esencial en muchas aplicaciones IoT, particularmente en aquellas que necesitan ser móviles o donde las comunicaciones de datos por cable no son rentables o viables. Los protocolos wireless populares incluyen Bluetooth, ZigBee y Wi-Fi, que operan en la banda de frecuencia de 2,4 o 5 GHz y pueden soportar elevadas velocidades de datos sobre un rango relativamente corto. Los estándares como LoRa y Sigfox son compatibles con conexiones sobre distancias superiores, con menores ratios de datos, y rinden en bandas sub-GHz (868 MHz en Europa).

El diseño de un subsistema basado en cualquiera de estos protocolos demanda contar con unas habilidades especializadas que, a menudo, se obtienen más fácilmente al adoptar un módulo inalámbrico o un diseño de referencia que se presenta con pilas de protocolo ya integradas y ayudan a solventar los problemas de distribución de hardware. Aunque pueden simplificar los retos de diseño, lograr una solución operativa no es algo automático (plug-and-play).

1. El sistema es la antena

Entre los retos con los que hay que lidiar, la selección y la integración de una antena adecuada tienen un impacto significativo en el subsistema RF y, en consecuencia, afectan al rendimiento del sistema en términos de alcance de la comunicación, consumo de energía total y vida de la batería.

La antena se suele incluir en el interior de la cubierta del dispositivo, que normalmente demanda un tamaño pequeño y una colocación cuidadosa para garantizar las prestaciones óptimas. Por otro lado, una antena ideal también debe proporcionar una elevada eficiencia y la cobertura de ancho de banda idónea para el rango de frecuencia deseado.

La mejora de cualquiera de estos parámetros se logra a expensan de los otros dos. Por lo tanto, la implementación de una antena apropiada exige un acuerdo, usando las figuras de la ficha técnica sólo como una orientación de rendimiento en la aplicación final. Factores como la conexión de la antena, la posición en relación con otros componentes en el interior de la cubierta, las propiedades del material de dicha cubierta y cualquier revestimiento que se pueda aplicar también tienen efectos patentes.

Por estas razones, la mejor opción es considerar los aspectos del diseño de las antenas para dispositivos IoT lo antes posible en el proyecto. De acuerdo con esto, desde un punto de vista del rendimiento RF, todo el sistema es la antena.

2. Integrando una antena 2D o 3D

Un repaso de los fundamentos de la antena mostrará que una antena dipolo centre-fed debe tener una longitud equivalente a la mitad de la longitud de onda de la señal para obtener buena resonancia. Una combinación de una antena monopolo de menores dimensiones y un cuarto del largo de la longitud de onda, cercano a un plan de tierra conectado como un camino de retorno, consigue un efecto comparable, que es ideal en dispositivos IoT con restricciones de espacio. El plano de tierra crea una imagen del conductor monopolo (Figura 1) y, por ende, hay que adecuar su tamaño.

Figura 1: El uso eficaz de un plano de tierra permite crear una antena de menor tamaño.
Figura 1: El uso eficaz de un plano de tierra permite crear una antena de menor tamaño.

Una antena de hilo de un cuarto de longitud de onda se puede colocar en un espacio libre sobre la PCB, alimentada por la línea de transmisión y diseñada para compartir el rendimiento de salida del amplificador RF. En la práctica, las antenas de PCB miniaturizadas están más indicadas para utilizarlas en producción masiva. Caracterizándose por una forma de “L” o “F” invertida o un patrón de espiral, aportan fiabilidad, facilidad de uso y libertad de ajuste.

Una antena de PCB se puede fijar en la tarjeta de circuito principal, por encima del plano de tierra que, a su vez, tiene que ser la capa superior de la placa de circuito. El diseño debe respetar las áreas “prohibidas” especificadas en la ficha técnica.

Así, estas antenas de PCB están destinadas a su montaje en el borde de la placa de circuito impreso. Si las restricciones de espacio en el interior del encapsulado demandan más flexibilidad en la ubicación de la antena, es posible conectar una antena de PCB a la tarjeta principal usando un cable coaxial en miniatura y un conector U.FL. Una antena metálica stamped supone una alternativa atractiva, particularmente si un ensamblaje de elevado volumen y alta velocidad es una prioridad. Si el espacio es extremadamente limitado, se puede considerar el empleo de las antenas tridimensionales producidas mediante tecnología de dispositivo de interconexión moldeado (MID).

Aunque se puede seleccionar una antena para tener la misma impedancia que la salida del amplificador RF, la carga de los componentes cercanos en la tarjeta de circuito y las propiedades del material de la cubierta del dispositivo pueden requerir la agregación de una red compartida. Esta puede constar de un condensador serie y un inductor paralelo para una antena mono banda o una red más compleja para una aplicación de banda dual (Figura 2).

Figura 2: Se puede necesitar un circuito de impedancia compartida para maximizar la transferencia de potencia.
Figura 2: Se puede necesitar un circuito de impedancia compartida para maximizar la transferencia de potencia.

3. Garantía de entrega en plazo de una antena a medida

Una antena estándar capaz de cumplir los requisitos de rendimiento del sistema suele ofrecer una solución más rentable, beneficiándose de una disponibilidad en stock. Por otro lado, si las restricciones de espacio son muy severas o los objetivos de rendimiento son muy elevados, se puede necesitar una antena a medida. Para garantizar una entrega en plazo, se recomienda consultar antes con los proveedores, que deben conocer aspectos como el ancho de las bandas de frecuencia, la eficiencia, el presupuesto y cualquier requisito multibanda.

4. Plan para la conformidad con las directivas RED y EMC

Los dispositivos IoT inalámbricos para el mercado europeo tienen que cumplir con la Directiva de Equipos Radioeléctricos (RED) y la Directiva de Compatibilidad Electromagnética (EMC). En lo que se refiere a la EMC, la circuitería de elevada frecuencia como los reguladores de conmutación que alimentan varios componentes del sistema o un radiador no intencionado como un bucle de corriente pueden causar problemas. Si la solución para EMC se deja como algo adicional, las técnicas aplicadas como un parche – como el apantallado a nivel tarjeta – puede alterar el rendimiento de la antena.

Conclusión sobre las antenas para dispositivos IoT

Ya se encuentran disponibles una amplia variedad de antenas diseñadas para las frecuencias apropiadas en aplicaciones IoT y también resulta compatible con las grandes restricciones de tamaño y consumo que se aplican en los puntos finales IoT. Sin embargo, la integración exitosa de una antena no sólo es un ejercicio plug-and-play, sino que requiere una selección cuidadosa, percatándose de los efectos de otros componentes del sistema, incluyendo la cubierta, y ajustando la alimentación y la ubicación de la propia antena.

Además, también habría que echar un vistazo al desarrollo técnico. En la misión de hacer frente a la compensación entre miniaturización, eficiencia y ancho de banda, los investigadores están trabajando en materiales avanzados como el grafeno – aprovechando su excelente conductividad para imprimir antenas delgadas y flexibles, polímeros cargados dieléctricamente y antenas textiles para aplicaciones wearables.

Si usted está interesado en obtener más información acerca de la selección y la integración de la antena apropiada para dispositivos IoT de pequeño tamaño, por favor, descárguese el white paper de TE Connectivity o haga “clic” en “Pregunte al Experto” para ponerse en contacto con nuestros profesionales en su propio idioma.

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