Antenas de chip de banda ultraancha cambian totalmente la tradición para cumplir con diversas aplicaciones

La función de una antena es simplemente actuar como transductor bidireccional entre el mundo de la RF gobernado por las ecuaciones de Maxwell y el mundo de los circuitos eléctricos de los voltios y los amperios. Aun así, es impresionante ver cuántos tipos y tamaños diferentes de antenas se usan, incluida la antena Yagi, la antena bow-tie, la antena dipolo, la antena loop, la antena tipo plato, la antena tipo parche, la antena dipolo, la antena monopolo, la antena de bocina, la antena helicoidal y la antena con stub, solo por mencionar algunas.

El motivo es que las antenas y sus configuraciones siempre han enfrentado el desafío complejo de servir a muchos fines, a menudo opuestos. Entre los parámetros preocupantes están la frecuencia central, el ancho de banda de 3 decibeles (dB), los patrones de radiación, la directividad, la relación parte delantera/parte trasera, los lóbulos laterales, el tamaño físico, la impedancia y el manejo de potencia, junto con el tamaño, la eficiencia y los problemas de costos típicos.

Lo ideal es que una antena se adapte a todo, especialmente cuando el costo y el espacio se vuelven fundamentales. Si bien aún no hemos llegado ahí, las antenas de banda ultraancha (UWB) son una buena opción para muchas aplicaciones diversas que necesitan una conectividad rápida, confiable y de baja potencia.

Evaluación de antenas

Tradicionalmente, un objetivo clave en muchos sistemas era mantener el ancho de banda de la antena (según lo medido entre sus puntos de -3 dB) en un mínimo para evitar recoger señales extrañas o crear interferencia no deseada. Después de todo, ¿por qué apoyar el rendimiento fuera de banda y agregar ruido recibido, especialmente si hacerlo significa comprometer otros factores?

Una métrica común del parámetro de ancho de banda es el ancho de banda fraccional (FBW). El FBW es la relación del alcance de la frecuencia (frecuencia máxima menos frecuencia mínima) dividida por la frecuencia central. El ancho de banda fraccional puede variar de cero a dos y suele indicarse como un porcentaje entre 0% y 200%. Mientras más alto sea el porcentaje, más ancha será la banda.

Sería genial tener una pauta simple que indique el FBW aproximado de diferentes tipos de antena, pero no es posible. La razón es que las antenas, tal vez más que la mayoría de componentes, tienen muchos beneficios aunados a riesgos en su diseño y sus dimensiones físicas. Tienen una cantidad extraordinaria de grados de libertad y, por lo tanto, sus parámetros, incluido el FBW, pueden equilibrarse entre sí hasta encontrar un diseño “óptimo” para una aplicación determinada.

El FBW de casi cualquier antena puede ser más grande o más pequeño al compensarse con sus otros parámetros, como la directividad (ganancia), los lóbulos laterales, el patrón de radiación, el tamaño físico y la cantidad de elementos para los diseños de varios elementos. Por ejemplo, el FBW de las antenas Yagi-Uda clásicas puede ajustarse desde un porcentaje bajo hasta alcanzar las decenas al cambiar el número y la separación de sus elementos, su grosor y otros atributos físicos.

Algunos especialistas consideran una antena con un FBW de 20% o superior como una antena UWB, mientras otros dicen que solo aquellas con una FBW superior a 50% son UWB. La Comisión Federal de Comunicaciones (FCC) y el Sector de Radiocomunicaciones de la Unión Internacional de Telecomunicaciones (ITU-R) actualmente definen el UWB como una transmisión de antena para la cual el ancho de banda de señal emitida supera 500 megahertz (Mhz) o 20% de la frecuencia central aritmética, lo que sea menor. Debido a la posibilidad de confusión, suele ser una buena idea pedir aclaraciones al hablar sobre el tema.

UWB: eso era en ese entonces, pero las necesidades han cambiado

Gracias a la llegada de las aplicaciones de banda ancha y multibanda, la directiva de mantener el FBW lo más estrecho posible se ha convertido en el deseo o incluso la obligación de que una antena de UWB tenga un FBW grande. De hecho, existen muchos documentos académicos recientes donde se describen las configuraciones de antena nuevas o innovadoras con características UWB.

Antes de continuar, hablemos de la terminología de la UWB. El término “banda ultraancha” tiene dos significados algo diferentes. En el contexto de las antenas, está relacionado con el FBW, tal como se explicó anteriormente. Sin embargo, cuando se trata del espectro electromagnético, el término “banda ultraancha” también se usa para describir frecuencias más altas donde hay más ancho de banda.

Por ejemplo, suele describirse a las aplicaciones que usan parte de la banda de frecuencia extremadamente alta (EHF) de 30 a 300 gigahertz (Ghz) como aplicaciones de UWB, ya que pueden usar una “porción” ultraancha de varios cientos de megahertz para admitir índices de datos extremadamente altos. No obstante, tal aplicación de UWB donde se usa de 1 GHz a 60 GHz no necesita una antena de UWB; necesita una antena centrada en 60 GHz con un FBW aproximado de tan solo 1.7%.

Las antenas de UWB como la ACG0806U, la ACG0301U, y la ACG0502U de Abracon funcionan con este rango amplio de frecuencias. Pueden usarse para reemplazar varias antenas de banda estrecha, al tiempo que ofrecen un alto grado de flexibilidad de diseño y conectividad confiable (Tabla 1).

Tabla 1: Las antenas de UWB ACG0806U, ACG0301U y ACG0502U ofrecen diferentes combinaciones de rangos de frecuencia y ancho de banda fraccional. (Fuente de la imagen: Bill Schweber, de los datos de Abracon)

El rango potencial de señales de UWB y sus antenas hace que sean adecuadas para aplicaciones como entradas y routers, emisión de alta velocidad, puntos de acceso inalámbricos, dispositivos manuales, rastreo y posicionamiento, control de dispositivos domésticos inteligentes y sistemas de entretenimiento. Además, son útiles para aplicaciones de las comunicaciones de Internet de las cosas (IoT) máquina a máquina (M2M), acceso seguro a un auto, rastreo de objetos, navegación en interiores, pago sin contacto, acceso inteligente y detección de objetos.

Las antenas de UWB de Abracon también están diseñadas para la próxima generación de conectividad. Abarcan todo el espectro, de 698 MHz a 7 GHz, y ofrecen varios beneficios:

• Alto rendimiento
• Alta eficiencia de radiación
• Consumo de energía bajo (debido a los requisitos de potencia bajos de los sistemas de UWB)
• Cumplen con las necesidades de la industria de transmisión de datos rápida/estable
• Dispositivos con chip completos y discretos para simplificar el diseño de la antena y la disposición de la placa/el sistema

Especificaciones destacadas

Al echar un vistazo más de cerca a una antena de UWB de Abracon, se observan sus atributos y cómo facilita el esfuerzo de diseño de ingeniería. La ACG0806U es una antena de UWB de montaje en superficie (SMD) para un funcionamiento de 3.3 GHz a 7.2 GHz (ancho de banda de 4000 MHz) en un pequeño paquete de chip de cerámica de 8.0 × 6.0 × 1.2 milímetros (mm) (Figura 1).

Figura 1: La ACG0806U de Abracon es una antena de UWB con un funcionamiento de 3.3 GHz a 7.2 GHz en un pequeño paquete de chip de cerámica SMD de 8.0 mm × 6.0 mm × 1.2 mm. (Fuente de la imagen: Abracon)

Desde el punto de vista eléctrico, la ACG0806U ofrece una polarización lineal y un ancho de haz de azimut onmidireccional, con una impedancia nominal de 50 ohm (Ω) y una relación de onda estacionaria (ROE) inferior a 3.5. Entre los detalles de su rendimiento, se incluyen gráficos que muestran la característica de impedancia de la pérdida de retorno y la característica de radiación de la eficiencia total (Figura 2 y Figura 3).

Figura 2: En el gráfico de pérdida de retorno (en dB) para la ACG0806U, se detalla un aspecto de su rendimiento en toda su banda de funcionamiento especificada. (Fuente de la imagen: Abracon)

Figura 3: Se muestra la eficiencia de la ACG0806U en toda su frecuencia operativa. (Fuente de la imagen: Abracon)

Otra cuestión igual de importante para los diseñadores es cómo y dónde colocar y conectar con la antena de chip. Para la ACG0806U, un tablero de evaluación muestra las dimensiones críticas y el circuito compatible asociado (Figura 4).

Figura 4: Se muestran las dimensiones relevantes para colocar la antena ACG0806U. (Fuente de la imagen: Abracon)

Conclusión

Las antenas de UWB son necesarias para apoyar las diversas aplicaciones multibanda y de banda ancha que ahora están recibiendo más atención. Abracon ofrece una selección de antenas de chip de UWB de montaje en superficie con diferentes frecuencias centrales y anchos de banda. Al usarlas, los diseñadores pueden seleccionar rápidamente y colocar una antena de UWB en su placa de circuito y pasar a las siguientes etapas de su proyecto.

Lectura recomendada

1. Beyond Wires: Antennas Evolve and Adapt to Meet Demanding Wireless Requirements (Más allá de los cables: Las antenas evolucionan y se adaptan para cumplir con los requisitos inalámbricos exigentes)

https://www.digikey.com/en/blog/beyond-wires-antennas-evolve-and-adapt

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

https://www.digikey.com/en/articles/how-to-cater-to-both-legacy-and-5g-wireless-iot-networks-using-wideband-antennas

Referencias

1: International Journal of Antennas and Propagation, “Wideband and UWB Antennas for Wireless Applications: A Comprehensive Review” (Antenas de banda ancha y UWB para aplicaciones inalámbricas: revisión completa)

https://www.hindawi.com/journals/ijap/2017/2390808/

2: IntechOpen, “Ultra-Wideband Antenna and Design” (Antena de banda ultraancha y diseño)

https://www.hindawi.com/journals/ijap/2017/2390808/

3: National Institute of Health, National Library of Medicine, “Ultrawideband Antennas: Growth and Evolution” (Antenas de banda ultraancha: crecimiento y evolución)

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC8781011/