Las antenas para el despliegue de IoT existen en muchas formas.
La antena puede ser el componente más comprometido en un diseño industrial de IoT. Las restricciones mecánicas y visuales suelen dictar las dimensiones y ubicaciones de la carcasa mucho antes de que intervenga un ingeniero de RF.
La tentación es poner una PCB de referencia o una antena de chip y asumir que el rendimiento de la hoja de datos se mantendrá a continuación. En la práctica, la eficiencia y los patrones de radiación están dominados por el tamaño del plano de tierra, los materiales circundantes y la proximidad de otras antenas.
Las antenas de traza PCB son la opción económica y no precisan de una lista de materiales (BOM). Pueden ofrecer un rendimiento sólido cuando se colocan en el tamaño recomendado de placa con una base a tierra limpia. El rendimiento colapsa cuando el plano de tierra se reduce, se corta por ranuras o se llena de componentes altos. En placas multi radio, cumplir todos los requisitos de «prohibido el acceso» para varias antenas de traza puede ser imposible.
Las antenas de chip y cerámica sacrifican cierta eficiencia por la repetibilidad y una huella pequeña. Siguen exigiendo un tamaño específico del plano de tierra, una zona de espacio y una red de coincidencia, pero son menos sensibles a pequeñas variaciones en la distribución. Para enlaces WiFi y Bluetooth de 2,4 GHz y 5 GHz en pequeños nodos sensores, son una opción común. Su ancho de banda controlado puede simplificar el diseño de emparejamiento y coexistencia.
Las antenas impresas flexibles añaden otro grado de libertad al alejar el elemento radiante de la PCB principal. Pueden adherirse al interior de una carcasa de plástico, envolver un soporte no metálico o colocarse detrás de una ventana con logo si el material es transparente a RF. Esto es especialmente útil cuando la PCB principal está enterrada entre objetos metálicos o debe ser muy pequeña. Las antenas flexibles también facilitan añadir un radiador sub-GHz dedicado manteniendo la placa base compacta.
Las antenas externas de látigo o puck siguen siendo comunes en Gateways, puntos de acceso y nodos exteriores. Proporcionan mayor eficiencia, patrones de radiación más claros y una mejor separación de las fuentes de ruido internas. Los compromisos son el impacto mecánico y visual, la pérdida de cables y conectores, y el riesgo de daños o mala instalación en lugares hostiles.
Estrategias multibanda y multi antena
En los diseños multi radio, la cuestión clave es si compartir antenas entre bandas o proporcionar antenas separadas. Una única antena de banda ancha que cubra 2,4 GHz y 5 GHz (y a veces armónicos sub-GHz) simplifica el diseño mecánico y reduce los elementos de la lista de materias, pero obliga a comprometer la compatibilidad y puede aumentar el acoplamiento entre radios.
Las antenas separadas ofrecen mejor eficiencia y aislamiento, pero ocupan más espacio y requieren más fuentes e interruptores.
Tabla 1: Qué considerar al seleccionar una antena para aplicaciones IoT
| Aspecto | Antena de banda ancha única | Antenas separadas específicas de banda |
|---|---|---|
| Huella y BOM | Superficie mínima de la placa, red de alimentación y correspondencia única, menor número de componentes. | Se requiere mayor área de placa, múltiples alimentaciones y redes de emparejamiento, mayor número de componentes. |
| Eficiencia de la antena | Eficiencia comprometida entre bandas; difícil de optimizar tanto para 2,4 GHz como para sub-GHz. | Mejor eficiencia por banda. Cada antena puede sintonizarse para una frecuencia y ancho de banda específicos. |
| Acoplamiento interradio | Mayor riesgo de acoplamiento mutuo e interferencias entre radios que comparten una sola señal. | La separación física y eléctrica reduce el acoplamiento y facilita el impacto en los objetivos de aislamiento. |
| Complejidad de emparejamiento | Emparejamiento complejo de banda ancha. sensible a las tolerancias de componentes y a los cambios de disposición. | Adaptación de banda estrecha más sencilla por antena. Rendimiento más predecible y repetible. |
| Coste y tiempo de lanzamiento al mercado | Menor coste de dispositivo y ensamblaje, pero puede necesitar más ciclos de ajuste y validación RF. | Mayor coste del dispositivo, pero el comportamiento de RF es más predecible, lo que puede acortar la depuración y la validación. |
Tabla 1: Comparación de antenas de banda ancha única frente a antenas separadas específicas de banda en diseños industriales de IoT multi radio con elevada densidad.
Los enlaces sub-GHz suelen beneficiarse de una antena dedicada. A 868 o 915 MHz, donde el tamaño físico y la referencia de tierra dominan el rendimiento, un látigo de cuarto de onda bien ajustado o una antena compacta cuidadosamente diseñada pueden ofrecer varios dB de mejora en el presupuesto del enlace frente a un compromiso de espacio comprimido. Eso se traduce directamente en autonomía, penetración a través de paredes y duración de la batería.
La separación espacial y la diversidad de polarización ayudan a reducir el acoplamiento mutuo. Como regla general y donde el espacio lo permita, busca al menos un cuarto de longitud de onda de la frecuencia de funcionamiento más baja entre antenas, utiliza una colocación ortogonal cuando sea posible y mantén las estructuras de alimentación y las bases simétricas.
En nodos pequeños esto es difícil, pero incluso una separación modesta y una orientación cuidadosa pueden ofrecer ganancias medibles de coexistencia.
