Optimización de la integración de antenas en dispositivos ISM LPWA

La continua expansión del Internet de las cosas (IoT) en dispositivos industriales, de consumo y médicos, además de las emergentes ciudades y edificios inteligentes, está impulsando el rápido aumento del uso de redes inalámbricas de área amplia de baja potencia (LPWA). Esto es especialmente cierto en las bandas de radiofrecuencia (RF) industriales, científicas y médicas (ISM) de 915 MHz en Estados Unidos.S, 868 y 169 MHz en Europa, y 433 MHz en Asia, que admiten protocolos inalámbricos como LoRa, Neul, SigFox, Zigbee y Z-Wave.

Los dispositivos LPWA siguen reduciéndose y necesitan antenas baratas y compactas con un rendimiento superior. Los problemas de planos de tierra de las antenas pueden ser especialmente problemáticos en las bandas ISM de 868 y 915 MHz. Pueden solucionarse con circuitos adicionales, una mayor integración de los dispositivos y un ajuste de frecuencia más preciso, todo lo cual puede aumentar el tiempo y los costos de desarrollo. Los diseñadores necesitan antenas que minimicen los problemas del plano de tierra. Además, los dispositivos LPWA suelen funcionar con baterías y requieren la máxima eficiencia energética. La selección e integración de la antena es un aspecto crítico de un diseño eficiente. Una solución de antena que no sea óptima puede reducir la duración de la batería y dar lugar a un mal rendimiento general del sistema.

Un presupuesto de enlace optimizado es una de las claves de una interfaz de comunicación inalámbrica fiable y eficiente. La selección e integración de la antena tiene un impacto significativo en el presupuesto del enlace. Pero el diseño o la selección de una antena eficiente y de alto rendimiento que aborde tanto el presupuesto del enlace como los problemas del plano de tierra es un proceso complejo. Las especificaciones de la antena que influyen en el presupuesto del enlace incluyen la impedancia, la pérdida de retorno, la relación de onda estacionaria de tensión, la ganancia, el patrón de radiación, etc. La identificación de antenas fáciles de integrar, compactas y de alto rendimiento que minimicen los problemas del plano de tierra puede reducir significativamente el tiempo de ingeniería y mejorar el rendimiento general del sistema.

Este artículo describe un modelo básico de presupuesto de enlace, revisa las especificaciones clave de la antena que afectan al presupuesto de enlace y presenta ejemplos de antenas de Molex que pueden superar los problemas del plano de tierra y ayudar a optimizar los presupuestos de enlace en los dispositivos LPWA.

Presupuesto de enlace básico

El balance de enlace en un sistema inalámbrico mide la energía de RF efectiva que llega al receptor. La ecuación comienza con la potencia transmitida en decibelios-metros (dBm), añade las ganancias en decibelios (dB), resta las pérdidas, también en dB, y llega a la potencia recibida en dBm. En un diseño práctico, hay numerosos factores que contribuyen a las ganancias y pérdidas.

Profundizar en los presupuestos de los enlaces

El rendimiento de la antena es el único factor que influye en las ganancias y pérdidas de un presupuesto de enlace. La eficiencia de la antena, la ganancia y el diagrama de radiación son tres aspectos importantes del rendimiento de la antena, y a menudo se miden utilizando una cámara de aire (OTA) (Figura 1). Otros factores que pueden afectar a los presupuestos de los enlaces son las pérdidas de retorno (el parámetro S11) y la relación de ondas estacionarias de tensión (VSWR).

Figura 1: La eficiencia, la ganancia y el diagrama de radiación de la antena se miden utilizando una cámara OTA. (DUT en la imagen se refiere al dispositivo bajo prueba) (Fuente de la imagen: Molex)

La eficiencia de la antena determina la emisividad de la misma. A menudo se utiliza la eficiencia media, pero la eficiencia no es un número único. Es una curva que puede ser más o menos plana, según la antena concreta que se considere (Figura 2). A menudo, una antena con una curva de eficiencia más plana tendrá una eficiencia máxima más baja que una antena con una curva de eficiencia más puntiaguda.

Figura 2: Las curvas de eficiencia de las antenas pueden variar mucho: la antena de la izquierda tiene una curva de eficiencia más plana, pero la de la derecha tiene un 10% más de eficiencia máxima a 915 MHz. (Fuente de la imagen: Molex)

Al igual que la eficiencia, la ganancia de la antena puede medirse como un valor medio o pico/máximo. En una frecuencia determinada, la ganancia media se mide en todos los ángulos del espacio tridimensional, mientras que la ganancia máxima es un único punto de funcionamiento. En general, cuanto mayor sea la ganancia media, mejor.

El diagrama de radiación de una antena es un factor importante para determinar la ganancia. Una antena teórica que irradia la misma energía en todas las direcciones se llama radiador isotrópico y tiene una ganancia de 0 dB (unidad). Las antenas reales, incluso los llamados diseños omnidireccionales, tienen patrones de radiación no isotrópicos y pueden ser más o menos direccionales medidos en planos 3D (Figura 3). Una antena con una ganancia de 3 dB es dos veces más eficaz en una dirección determinada que un radiador isotrópico. Duplica la potencia del transmisor, o la sensibilidad del receptor, en esa dirección específica.

Figura 3: Los diagramas de radiación difieren para varios diseños de antena y pueden ser importantes en los cálculos del presupuesto del enlace. Ambas antenas están especificadas con patrones de radiación omnidireccionales. (Fuente de la imagen: Molex)

El diseño de la antena y el entorno afectan al diagrama de radiación. Las mediciones típicas de la hoja de datos utilizan un entorno de espacio libre sin interferencias circundantes. En las implementaciones reales, la ganancia máxima se reducirá entre 1 y 2 decibelios con respecto a la isotrópica (dBi), ya que el patrón de radiación cambiará debido a los componentes circundantes.

Las pérdidas de retorno (S11) y la relación de ondas estacionarias de tensión (VSWR) son medidas relacionadas con la cantidad de energía reflejada por la antena de vuelta al circuito de RF, y los valores más pequeños son mejores (Figura 4). S11 ≤ -6dB o VSWR ≤ 3 suelen considerarse niveles mínimos de rendimiento aceptables. Si S11 = 0 dB, toda la potencia se refleja y no se irradia. O, si S11 = -10 dB, cuando se entregan 3 dB de potencia a la antena, -7 dB es la potencia reflejada. La antena utiliza el resto de la energía.

Figura 4: La pérdida de retorno de la antena de alta eficiencia (derecha) es de unos -14 dB a 915 MHz, mientras que la pérdida de retorno de la antena de menor eficiencia con la curva de eficiencia más plana es de unos -10 dB a 915 MHz. (Fuente de la imagen: Molex)

La VSWR es una función del coeficiente de reflexión. Al igual que la pérdida de retorno, una menor VSWR indica una mejor antena. El valor mínimo de VSWR es 1,0, cuando no se refleja ninguna potencia en la antena. La adaptación de la impedancia puede utilizarse para minimizar S11 y VSWR. La adaptación de la impedancia consiste en modificar la línea de transmisión entre la antena y el circuito de RF para mejorar la transferencia máxima de energía. Un desajuste de impedancia hace que parte de la potencia de RF no sea aceptada por la antena. Una coincidencia exacta entre la impedancia de la línea de transmisión y la impedancia de la antena hace que toda la potencia de RF se reciba en la antena.

Algunas antenas tienen una impedancia de 50 Ω y no necesitan una red de adaptación. La mayoría de las antenas requieren una red de adaptación de impedancias en la línea de transmisión para optimizar el rendimiento de la antena. Las redes de adaptación suelen ser necesarias con las antenas que admiten varias bandas de frecuencia. Una red de adaptación puede consistir en varias combinaciones de condensadores, inductores o resistencias cuando sea necesario.

Mejora del rendimiento de la antena

Una antena básica consiste en un conductor de una longitud determinada, pero se pueden añadir elementos adicionales para mejorar el rendimiento de la antena. Un ejemplo es la tecnología de antena MobliquA™ de Molex, que incluye tecnologías de mejora del ancho de banda (Figura 5). La tecnología MobliquA está diseñada para mejorar la gama de frecuencias en las que la pérdida de retorno es aceptable, a menudo denominada "ancho de banda de impedancia". Esta tecnología puede mejorar el ancho de banda de la impedancia entre un 60 y un 70 por ciento sin comprometer la eficacia de la radiación ni aumentar el tamaño de la antena. Una antena ISM diseñada para 868 MHz y 915 MHz con la tecnología MobliquA puede tener hasta un 75% menos de volumen que los diseños convencionales y eliminar la necesidad de costosos circuitos y ajustes de frecuencia necesarios para resolver los problemas de dependencia del plano de tierra.

Figura 5: La tecnología MobliquA de Molex está diseñada para mejorar el ancho de banda de la impedancia y proporcionar un alto grado de inmunidad frente a la inserción de objetos metálicos en el volumen de la antena. (Fuente de la imagen: Molex)

La tecnología MobliquA permite el uso de piezas desacopladas de RF o conectadas a tierra, como la carcasa de un conector conectado a tierra. Proporciona una buena inmunidad a la inserción de piezas metálicas en el volumen de la antena. Sus exclusivas técnicas de alimentación, combinadas con la puesta a tierra directa de los elementos de la antena, proporcionan una mayor protección contra las descargas electrostáticas (ESD) para el frontend de RF.

Integración de la antena

Aunque todas las especificaciones eléctricas mencionadas anteriormente son aspectos importantes de la integración de la antena, también está la cuestión de la conexión mecánica y la integración de la antena en el sistema. Hay múltiples posibilidades. Por ejemplo, algunas antenas están diseñadas para ser soldadas al sistema, y otras incluyen un cable coaxial y un conector conectado al sistema. Las dos secciones siguientes presentan algunas de las especificaciones de cada antena omnidireccional.

Antena ISM flexible con coaxial y conector

Para las aplicaciones que necesitan una antena ISM de doble banda de 868/915 MHz, los diseñadores pueden recurrir al modelo 2111400100 de Molex (Figura 6). Esta antena monopolo mide 38 x 10 x 0.1 milímetros, está fabricada con un material polimérico flexible y tiene un cable microcoaxial de 100 mm de longitud con un diámetro exterior de 1.13 mm y un conector U.FL compatible con MHF. Se trata de un adhesivo que se adhiere a cualquier superficie no metálica. Puede manejar 2 W de potencia de RF y tiene un rango de temperatura de funcionamiento de -40 a +85 °C. Otras antenas de esta serie tienen opciones de longitud de cable de 50, 150, 200, 250 y 300 mm, y se pueden fabricar longitudes personalizadas.

Figura 6: Esta antena ISM de doble banda es flexible y se monta en el sistema mediante un adhesivo "peel-and-stick" (pelar y pegar). (Fuente de la imagen: Molex)

Algunas especificaciones clave son:

• Eficiencia: >55% a 868 MHz, >60% a 902 MHz
• Ganancia máxima: 0.3 dBi a 868 MHz, 1.0 dBi a 902 MHz
• Patrón de radiación: omnidireccional
• Pérdida de retorno (S11): < -5 dB

La antena ISM de cerámica de alta eficacia se suelda a la placa de circuito impreso

Cuando se necesita una mayor eficiencia, los diseñadores pueden utilizar una antena cerámica 2081420001 diseñada específicamente para aplicaciones ISM (Figura 7). Se pueden utilizar distintas redes de adaptación en dos bandas de frecuencia diferentes: 868-870MHz y 902-928 MHz. Con capacidad para funcionar entre -40 y +125 °C, mide 9 x 3 x 0.63 mm.

Figura 7: Con diferentes redes de adaptación, esta antena cerámica puede utilizarse en dos bandas de frecuencia diferentes: 868-870MHz y 902-928 MHz. (Fuente de la imagen: Molex)

Algunas especificaciones clave son:

• Eficiencia: 70% a 868 MHz, 65% a 902 MHz
• Ganancia máxima: 1.5 dBi a 868 MHz, 1.8 dBi a 902 MHz
• Patrón de radiación: omnidireccional
• Pérdida de retorno (S11): < -10 a 868 MHz, < -5 a 902 MHz

Resumen

La optimización de las antenas y su integración en las aplicaciones LPWA ISM, incluidos los protocolos LoRa, Neul, SigFox, Zigbee y Z-Wave IoT, es una tarea importante y compleja. La optimización del presupuesto de enlace es necesaria para garantizar un buen rendimiento inalámbrico y una larga duración de la batería. Incluye numerosas compensaciones de especificaciones eléctricas de funcionamiento y el desarrollo de una red de adaptación de impedancia eficaz. El proceso de selección de la antena también debe tener en cuenta el entorno de funcionamiento y los requisitos mecánicos y de interconexión del dispositivo.