Cómo adaptarse a las redes inalámbricas de IoT, tanto las tradicionales como las de 5G, mediante antenas de banda ancha

Además de los teléfonos inteligentes de consumo de gran visibilidad, los enlaces inalámbricos basados en el 5G se dirigen a diversas aplicaciones integradas, como el Internet de las cosas (IoT), los enlaces de máquina a máquina (MTM), la red inteligente, las máquinas expendedoras, las puertas de enlace, los enrutadores, la seguridad y la conectividad de supervisión remota. Sin embargo, este cambio al 5G no se producirá de la noche a la mañana. Esto crea la necesidad de antenas en el front-end del enlace de comunicaciones inalámbricas que puedan atender al 5G, así como a los enlaces heredados 2G, 3G y otros que no son 5G y que seguirán existiendo en los próximos años, incluso cuando el 5G prolifere.

Por estas razones, los ingenieros deben diseñar productos para bandas adicionales a las que soportan los estándares 5G. Aunque el front-end de RF interno o el amplificador de potencia sean diferentes para cada banda, tener una sola antena de banda ancha para servir tanto a las bandas 5G como a las heredadas tiene sus ventajas.

En este artículo se analizan las antenas de banda ancha que sirven para el espectro 5G de banda baja, así como para las bandas heredadas, representadas por unidades ilustrativas de Abracon LLC. El artículo muestra cómo el uso de este tipo de antenas -ya sean unidades externas visibles o internas integradas- puede facilitar el diseño, simplificar la lista de materiales (BOM) y facilitar la instalación de una actualización a 5G si es necesario.

Empezar con bandas reguladoras

Las antenas son el último elemento de la trayectoria de la señal de transmisión de RF y el primero de la trayectoria complementaria del receptor. La función de la antena es ser un transductor entre el mundo de los circuitos de corriente y tensión y el mundo de la RF de la energía radiada y los campos electromagnéticos.

A la hora de seleccionar una antena para la aplicación de destino, es importante tener en cuenta que la antena funciona sin tener en cuenta el tipo de modulación o el estándar industrial para el que se utiliza. Ninguno de los parámetros utilizados para la selección de la antena -como la frecuencia central, el ancho de banda, la ganancia, la potencia nominal o el tamaño físico- depende de si la antena se utiliza para señales de amplitud, frecuencia o modulación de fase (AM, FM, Gerente de proyectos), o para formatos de señal 3G, 4G, 5G o incluso propietarios.

Por supuesto, los diseños de sistemas para aplicaciones emergentes que admiten los estándares 5G están recibiendo una cantidad significativa de atención de diseño, especialmente para las bandas 5G por debajo de 6 gigahercios (GHz), donde reside la mayor parte de la actividad 5G. Es importante distinguir entre el estándar inalámbrico que admite el sistema y la frecuencia y el espectro utilizados, que determinan la selección de la antena.

Los nuevos estándares 5G utilizan segmentos del espectro que antes no estaban disponibles, al tiempo que aprovechan partes del espectro ya en uso incorporando esquemas de modulación de mayor nivel para obtener una mayor tasa de producción. Así, aunque el apoyo de la industria y de los operadores a un estándar existente pueda desaparecer (o "extinguirse"), como el 3G en 2022, algunas partes del espectro utilizado por el 3G seguirán utilizándose para el 4G e incluso para el 5G (Figura 1).

Figura 1: Las frecuencias entre 600 y 6000 MHz admiten múltiples estándares como 3G, 4G y 5G, con cierto solapamiento del espectro. (Imagen: Abracon LLC)

Esto significa que las antenas que soportan las bandas 3G o 4G pueden seguir siendo viables también para la 5G, y viceversa. La norma puede desaparecer, pero su antena no, y es posible la compatibilidad con antenas anteriores y posteriores. En cada uno de estos casos, la reutilización de la antena que soporta múltiples estándares y bandas es una solución práctica y a menudo deseable.

Otras normas importantes en el espectro de RF de 600 megahercios (MHz) a 6 GHz son:

• Servicio de radiocomunicación de banda ancha para ciudadanos (CBRS), un segmento de 150 MHz de ancho ligeramente regulado en el rango de 3550 MHz a 3700 MHz (3.5 GHz a 3.7 GHz). En Estados Unidos, la Comisión Federal de Comunicaciones (FCC) ha designado este servicio para su compartición entre tres niveles de usuarios: usuarios titulares, usuarios de licencias de acceso prioritario (PAL) y usuarios de acceso general autorizado (GAA).
• LTE-M, la abreviatura de LTE Cat-M1 (a menudo llamada CAT M) o evolución a largo plazo (4G), categoría M1. Esta tecnología permite que los dispositivos IoT de bajo ciclo de trabajo y alimentados por batería se conecten directamente a una red 4G sin necesidad de una puerta de enlace.
• Narrowband-IoT (NB-IoT), es una tecnología inalámbrica de grado celular que utiliza la multiplexación por división de frecuencia ortogonal (OFDM) dentro del paraguas de la 3G. Se trata de una iniciativa del Proyecto de Asociación de Tercera Generación (3GPP) -la organización que está detrás de la estandarización de los sistemas celulares- para responder a las necesidades de los dispositivos de muy baja velocidad de datos que necesitan conectarse a las redes móviles, y que también suelen funcionar con baterías.

Una nota sobre la terminología de banda ancha y multibanda, ya que existe la posibilidad de confusión y ambigüedad. "Banda ancha" se refiere a una antena con un ancho de banda que es una fracción significativa de su frecuencia central. Aunque no existe una definición formal de este número, informalmente suele significar un ancho de banda que es al menos del 20 al 30 por ciento de la frecuencia central. Por el contrario, el término "multibanda" se refiere a una antena diseñada para soportar dos o más bandas definidas por las normas reglamentarias; estas bandas pueden estar muy espaciadas o muy separadas.

Un ejemplo extremo de antena multibanda sería la que funciona simultáneamente para la difusión de AM (550 a 1550 kHz) y la difusión de FM (88 a 108 MHz). Una antena multibanda puede ser de banda ancha, pero no necesariamente.

Independientemente del número, la separación y los anchos de banda que admita, una antena multibanda tiene una única conexión de RF, aunque internamente pueda estar formada por dos o más antenas combinadas distintas. A diferencia de una antena de banda ancha más sencilla, una antena multibanda puede diseñarse con huecos deliberados en la cobertura de ganancia a lo largo de su ancho de banda para minimizar las interferencias cocanal.

Antena interna o externa

El estándar de conectividad inalámbrica para el que se utiliza la antena no es una cuestión de diseño de la misma, pero la frecuencia y el ancho de banda son definitivamente consideraciones que hacen que la implementación física de la antena sea una decisión importante. Una de las principales consideraciones a la hora de diseñar es si se debe utilizar una antena externa o una integrada en el producto final.

Las antenas internas tienen estos atributos:

• Permiten un paquete más elegante sin aditamentos externos que puedan romperse o engancharse
• La antena integrada está siempre conectada y disponible
• Tienen limitaciones inherentes con respecto a la cobertura, la eficiencia, los patrones de radiación y otros criterios de rendimiento
• El rendimiento de la antena incorporada se verá afectado por los circuitos adyacentes, por lo que su colocación está estrechamente relacionada con el tamaño de la placa de circuito, la disposición, los componentes y la disposición general
• La mano o el cuerpo del usuario pueden inducir cambios en el patrón de la antena, la eficiencia y el rendimiento

En cambio, las antenas externas poseen estas características:

• Ofrecen más posibilidades de adaptar los patrones de radiación, el ancho de banda y la ganancia, ya que tienen más grados de libertad de diseño.
• No tienen que estar conectados a la unidad IoT/RF y pueden situarse de forma óptima a una distancia modesta utilizando un cable coaxial.
• Se ven menos afectados, o no se ven afectados en absoluto, por los aspectos eléctricos del diseño y el envasado de los productos
• Están disponibles en varios estilos y configuraciones.
• Requieren un conector o un cable para su fijación, lo que puede ser un punto de fallo.

La elección entre una antena externa y una interna suele decidirse en función de múltiples factores. Entre ellas se encuentran la aplicación del producto final y las preferencias del usuario, sopesadas con el rendimiento y si la antena se utilizará en una situación móvil o fija. Por ejemplo, un teléfono inteligente con una antena externa podría considerarse incómodo. Por el contrario, un nodo IoT fijo con una antena externa y tal vez ligeramente remota podría proporcionar una conectividad mejor y más consistente.

Ventajas de la antena multibanda

Las antenas multibanda pueden satisfacer las aplicaciones existentes y, al mismo tiempo, preparar los diseños para las actualizaciones, incluida la conectividad 5G. Pero, ¿por qué pensar en una antena de este tipo si se conocen los parámetros de instalación y las características específicas? Hay varias buenas razones:

• Una sola antena puede utilizarse en una familia de productos que se dirigen a diferentes bandas, lo que simplifica la gestión de las existencias y las compras.
• Una antena multibanda interna da lugar a un paquete más pequeño, mientras que una externa reduce el número de conectores de antena en el gabinete/recinto del producto.
• La antena multibanda puede servir a un dispositivo IoT en el que sea posible o se prevea una actualización a una nueva banda, como la 5G, ya sea por razones de rendimiento o por la extinción de la banda y el estándar existentes.
• Una única antena externa para varias bandas proporciona una homogeneidad con respecto a las técnicas y herramientas de instalación.
• En el caso de las aplicaciones críticas fijas y, sobre todo, móviles, la sección de radiofrecuencia del dispositivo puede ofrecer soporte de doble banda, lo que permite que el dispositivo cambie dinámicamente de banda para obtener un rendimiento óptimo en un lugar o entorno determinado.
• Los diseñadores pueden utilizar una única antena interna multibanda en dispositivos no relacionados, pero ganan al aprovechar su experiencia con el modelado de la antena, la colocación y los posibles problemas de producción.

Ejemplos de antenas multibanda en el mundo real

A pesar de sus prestaciones de banda ancha, las antenas multibanda no están limitadas por el factor de forma o el tipo de terminación, como ilustran tres ejemplos.

La AEBC1101X-S es una antena de látigo celular 5G/4G/LTE que mide 115 milímetros (mm) de longitud con un diámetro máximo de 19 mm, diseñada para un funcionamiento de 600 MHz a 6 GHz (Figura 2). Viene con un conector SMA macho estándar que puede girar 90° para su montaje directo en el gabinete del producto (también podría utilizarse con un cable coaxial extensible); también está disponible un conector SMA de polaridad inversa.

Figura 2: La antena de látigo celular AEBC1101X-S 5G/4G/LTE está diseñada para un funcionamiento de 600 MHz a 6 GHz y viene con un conector coaxial SMA integrado con 90° de rotación. (Imagen: Abracon LLC)

Su relación de ondas estacionarias de voltaje (VSWR) y su rendimiento de ganancia de pico son bastante constantes en toda la banda, aunque hay un cambio en la eficiencia entre los rangos de frecuencia inferiores y superiores (Figura 3).

Figura 3: La antena de látigo celular AEBC1101X-S 5G/4G/LTE presenta modestos cambios de rendimiento entre sus rangos de gama baja (600 a 960 MHz) y alta (1400 a 6000 MHz). (Imagen: Abracon LLC)

El diagrama de radiación es bastante circular en toda la banda, con algunos pequeños lóbulos que surgen a 3600 MHz y que se hacen un poco más evidentes a 5600 MHz (Figura 4).

Figura 4: El diagrama de radiación X-Y del AEBC1101X-S cambia entre 3600 y 5600 MHz, con la aparición de algunos lóbulos. (Imagen: Abracon LLC)

La antena de cuchilla AECB1102XS-3000S 5G/4G/LTE/NB-IoT/CAT, también para funcionamiento de 600 MHz a 6 GHz, mide 115.6 mm de largo × 21.7 mm de ancho con un perfil muy delgado de solo 5..8 mm (figura 5). Está diseñada para una instalación fácil y cómoda contra una superficie plana con cinta adhesiva.

Figura 5: La antena de cuchilla AECB1102XS-3000S 5G/4G/LTE/NBIOT/CAT, también para 600 MHz a 6 GHz, es una antena de bajo perfil diseñada para ser montada cómodamente contra una superficie plana simplemente utilizando cinta adhesiva. (Imagen: Abracon LLC)

Su rendimiento en RF es similar al del AEBC1101X-S, con una VSWR máxima inferior a 3.5, pero la ganancia máxima es algo inferior, de 2 decibelios, en relación con un radiador isotrópico (dBi). El diagrama de radiación en el plano X-Y y X-Z también es más complejo (Figura 6).

Figura 6: Los diagramas de radiación X-Z e Y-Z de la antena de láminas AECB1102XS-3000S muestran un conjunto de lóbulos más complejo que el de la antena de látigo. (Imagen: Abracon LLC)

Una diferencia notable entre el AEBC1101X-S y el AECB1102XS-3000S está en las terminaciones disponibles. La unidad de cuchilla AECB1102XS-3000S viene de serie con un cable coaxial LMR-100 de 1 metro (m) (que sustituye a los tipos de cable RG174 y RG316) terminado con el ampliamente utilizado conector SMA macho. Sin embargo, puede pedirse casi cualquier longitud de cable y también se ofrecen otros tipos de conectores además de los SMA como opciones estándar para una mayor flexibilidad de conexión (Figura 7).

Figura 7: El cable coaxial estándar para el AECB1102XS-3000S está terminado con un conector SMA (M), pero se ofrecen muchas otras opciones de conectores. (Imagen: Abracon LLC)

La antena de chip cerámico de banda ancha ACR4006X de 600 a 6000 MHz es un dispositivo de montaje en superficie que sólo mide 40 × 6 × 5 mm de altura. En funcionamiento, requiere una minúscula red de adaptación de impedancia inductor-condensador (LC) formada por un inductor de 8.2 nanohenrios (nH) y un condensador de 3.9 picofaradios (pF) (cada uno de ellos de tamaño 0402) para conseguir la impedancia deseada de 50 ohmios (Ω) (Figura 8).

Figura 8: La antena de chip cerámico de banda ancha ACR4006X de 600 a 6000 MHz tiene una huella de sólo 40 × 6 mm, y sólo requiere dos pequeños componentes pasivos para la adaptación de impedancia de 50 Ω. (Imagen: Abracon LLC)

La Hoja de datos del ACR4006X indica que se trata de un dispositivo de 600 a 6000 MHz, pero hay que tener en cuenta que sus gráficos de eficiencia, ganancia máxima y ganancia media presentan algunas lagunas (Figura 9). Esto es deliberado, ya que esta antena multibanda está diseñada y optimizada para el rendimiento en tres bandas específicas dentro de ese rango: 600 a 960 MHz, 1710 a 2690 MHz y 3300 a 6000 MHz para soportar las asignaciones 3G, 4G y 5G, así como algunas asignaciones de espectro más pequeñas.

Figura 9: Los gráficos de eficiencia y ganancia del ACR4006X de 600 a 6000 MHz muestran lagunas, pero éstas no preocupan mucho a los usuarios, ya que no están dentro de las bandas de funcionamiento de 3G, 4G y 5G. (Imagen: Abracon LLC)

Dado que el ACR4006X no está destinado a receptores GPS, su rendimiento no se especifica en las frecuencias portadoras GPS de 1575.42 MHz (portadora L1) y 1227.6 MHz (portadora L2).

El diagrama de radiación X-Y del ACR4006X también es función de la frecuencia, pero sigue manteniendo una forma aproximadamente circular en toda su amplia banda, con sólo unas modestas caídas de ganancia a 90° y 270° en su rango de frecuencia más bajo (Figura 10).

Figura 10: El diagrama de radiación X-Y de la antena de chip ACR4006X es aproximadamente circular, pero con algunas caídas de ganancia dependientes de la frecuencia a 90° y 270°. (Imagen: Abracon LLC)

La evaluación del rendimiento de una antena comienza con la hoja de datos, seguida a menudo de la confirmación mediante una cámara anecoica y, finalmente, de pruebas de campo con el producto final. Los factores que afectan al rendimiento real de la antena externa son el gabinete, el cuerpo y las manos del usuario en el caso de las unidades móviles, y la ubicación y colocación de la antena. Está ampliamente desvinculado de la disposición de la placa de circuito interno del producto.

En cambio, el rendimiento de una unidad interna como la antena de chip ACR4006X se ve afectado por los componentes adyacentes y la placa de PC. Por este motivo, Abracon ofrece la placa de evaluación ACR4006X-EVB para facilitar la evaluación de ingeniería de esta antena de chip.

La placa se utiliza junto con un analizador vectorial de redes (VNA). Después de la calibración inicial de la configuración -un paso estándar en la mayoría de las pruebas de VNA- el rendimiento de la antena se evalúa a través del puerto calibrado del VNA utilizando el conector SMA de la placa.

La placa de evaluación mide 120 × 45 mm y está dimensionada con precisión para la correcta colocación de la antena de chip. Incluye la zona libre de metal/tierra de 45 × 13 mm necesaria alrededor de la antena para su correcto funcionamiento (Figura 11).

Figura 11: La placa de evaluación ACR4006X-EVB mide sólo 120 × 45 mm y facilita la evaluación de la antena de chip a través de su conector SMA; la hoja de datos muestra las áreas de diseño y las dimensiones críticas. (Imagen: Abracon LLC)

Conclusión:

Las antenas multibanda responden a los retos de los dispositivos IoT, especialmente los que necesitan soportar una sola banda ahora, al tiempo que proporcionan una ruta de actualización más suave a los nuevos estándares como el 5G. También permiten que un sistema admita varias bandas para optimizar el rendimiento en zonas donde la conectividad no está asegurada en una sola banda. Como se muestra, las antenas internas montadas en la placa de circuito de Abracon permiten un paquete más elegante, mientras que sus antenas externas que utilizan un conector de RF integral o un accesorio de cable coaxial ofrecen flexibilidad en la colocación para una ruta de señal óptima.