Comprender los matices de la hoja de datos de una antena de IoT

Cuando diseñe un producto de Internet de las cosas (IoT) inalámbrico, deberá familiarizarse con las antenas y su función como única interfaz entre el producto y el mundo exterior. Si elige la antena incorrecta, su producto final puede comunicarse, pero su rendimiento se verá tan comprometido que los usuarios podrían renunciar a él y recurrir a otra opción.

El problema para muchos diseñadores es que parece haber una matriz asombrosa de soluciones de antena, lo que hace que el proceso de selección sea un tanto abrumador. Entonces, ¿cómo puede elegir la mejor opción de antena para su diseño?

Algunas decisiones son más fáciles que otras. Comience por buscar una antena optimizada para la banda operativa de su diseño. Por ejemplo, si el producto utiliza conectividad LoRa y apunta al mercado estadounidense, la antena debe estar optimizada para operar en la banda de 902 a 928 megahercios (MHz). Si el dispositivo admite Wi-Fi de banda dual, la antena debe estar optimizada para operar en las bandas de RF de 2.4 gigahercios (GHz) y 5 GHz.

A continuación, considere el factor de forma del producto final. Por ejemplo, si un sensor habilitado con Bluetooth de bajo consumo (LE) necesita ser muy compacto, una buena opción podría ser la ST0147-00-011-A de Amphenol, una antena de chip de montaje en superficie de 2.4 GHz. Mide solo 3.05 x 1.6 x 0.55 milímetros (mm) y se monta directamente en la placa de CI del dispositivo. Un ejemplo de un dispositivo mucho más grande es un punto de acceso (AP) Wi-Fi. Ofrece mucho espacio para la antena y, al mismo tiempo, satisface la demanda de un buen alcance y una alta tasa de producción. Una buena opción en este caso es la antena externa tipo látigo ST0226-30-002-A de Amphenol (Figura 1).

Figura 1: La antena externa tipo látigo ST0226-30-002-A es adecuada para aplicaciones como puntos de acceso Wi-Fi de banda dual. (Fuente de imagen: Amphenol).

Después de operar con bandas y factores de forma, las cosas se vuelven un poco más complejas. Seleccionar una antena que cumpla con las especificaciones de consumo de energía, confiabilidad, alcance y tasa de producción exige una comprensión razonable de la hoja de datos.

En más detalle

Tome una hoja de datos típica, como la de la ST0224-10-401-A de Amphenol (Figura 2). Esta es una antena de RF de rastreo Wi-Fi que se adapta a las aplicaciones de medidores inteligentes e IoT industrial (IIoT), y se puede montar internamente. La hoja de datos incluye información sobre el patrón de radiación del dispositivo, la transferencia de potencia máxima, la respuesta de frecuencia, la ganancia y la eficiencia. Consideremos el significado de cada uno de estos parámetros.

Figura 2: La antena de RF de rastreo Wi-Fi ST0224-10-401-A se puede montar internamente y se adapta a aplicaciones de medidores inteligentes e IIoT. (Fuente de imagen: Amphenol).

Patrón de radiación: Esto define gráficamente cómo la antena irradia (o absorbe) energía de radiofrecuencia (RF) en el espacio 3D. La hoja de datos generalmente muestra dos o tres cortes a través del patrón de radiación 3D, uno que muestra la radiación máxima en el plano XY y otro que muestra el máximo en el plano ZY (o ZX) (Figura 3). A menudo, los patrones de plano se denominan "acimut" (plano XY) y "elevación" (ortogonal al plano XY, por ejemplo, a través del plano ZY) cuando la antena se monta como se pretende que se use en el producto final.

Figura 3: Se muestran los patrones de radiación máxima de una antena de rastreo Wi-Fi en el plano XY (izquierda) y el plano ZY (derecha). (Fuente de imagen: Amphenol).

Una antena omnidireccional, como una antena dipolo, es una antena que irradia o recibe energía de radio de manera relativamente uniforme en todas las direcciones. Esto se adapta a muchas aplicaciones de IoT porque el desarrollador a menudo necesita garantizar la conectividad entre dispositivos en cualquier orientación relativa entre sí. La hoja de datos de la antena ST0224-10-401-A de Amphenol muestra que es un dispositivo omnidireccional.

La desventaja de una antena omnidireccional es que la energía de transmisión se disipa a lo largo de la superficie de una esfera en expansión, lo que atenúa la intensidad de la señal de manera exponencial y afecta el alcance. Por el contrario, las antenas direccionales utilizan técnicas como la formación de haces para concentrar la energía de radio en una dirección específica, lo que aumenta el alcance.

Transferencia máxima de potencia: Esto ocurre cuando la impedancia de la línea de transmisión (Z₀) es igual a la de la antena (Z_a). Incluso con circuitos de adaptación de impedancia bien diseñados, la antena suele reflejar un poco de potencia a lo largo de la línea de transmisión. Una medida común de la adaptación de las impedancias Z₀ y Z_a es la razón de onda estacionaria de voltaje (VSWR). Una VSWR de 1 indica que no hay pérdida por desajuste de impedancia, mientras que los números más altos indican pérdidas crecientes.

Por ejemplo, una VSWR de 3.0 indica que aproximadamente el 75% de la potencia se entrega a la antena. La relación de potencia de la onda reflejada con la onda incidente se denomina “pérdida de retorno” (RL). Esto indica la reducción en decibeles (dB) de la potencia de la onda reflejada por debajo de la de la onda incidente. Una VSWR por debajo de 1.5 (una RL de ≈ 14 dB) es una adaptación satisfactoria. La antena ST0224-10-401-A-10 de Amphenol tiene una RL de -10 dB cuando funciona en las bandas de frecuencia de 2.4 y 5 GHz.

Debido a que la RL también depende de la frecuencia de radio, el desarrollador debe verificar la respuesta de frecuencia de la antena para asegurarse de que la RL se minimice en la banda operativa prevista (Figura 4).

Figura 4: La RL depende de la frecuencia. El desarrollador debe asegurarse de que la antena ofrezca una RL mínima en la frecuencia operativa prevista. (Fuente de imagen: Amphenol).

Ganancia y eficiencia: La ganancia describe cuánta potencia se transmite en la dirección de la radiación máxima y generalmente se expresa en dB con referencia a una antena isotrópica (dBi). La ganancia está relacionada con la directividad y la eficiencia de la antena. La directividad mide la naturaleza direccional del patrón de radiación de la antena. Por ejemplo, una antena perfectamente omnidireccional tiene direccionalidad cero y una directividad de 1 (o 0 dB). La directividad generalmente se expresa como el valor máximo según el patrón de radiación (D_max). La ganancia se expresa con más frecuencia en la hoja de especificaciones de una antena que la directividad porque tiene en cuenta el desajuste de VSWR y las pérdidas de energía.

La eficiencia (η) es la relación entre la potencia radiada total (TRP o P_rad) a la potencia de entrada (P_in). La TRP se calcula integrando la potencia emitida en todo el patrón de radiación. Para calcular η, utilice la fórmula η = (P_rad/P_in) * 100%. La ganancia máxima de la antena es entonces Ganancia _máxima = η * D_máxima.

Una antena transmisora ​​con una ganancia de 3 dB irradiará el doble de potencia que una antena isótropa sin pérdidas con la misma potencia de entrada. Una antena sin pérdidas es una antena con una eficiencia de 0 dB (o 100%). De manera similar, una antena receptora con una ganancia pico de 3 dB recibiría el doble de potencia que una antena isótropa sin pérdidas. Para nuestro ejemplo de Amphenol, la ganancia máxima es de 2.1 dBi en la banda de 2.4 GHz y de 3.1 en la banda de 5 GHz.

Una ganancia alta no siempre es algo bueno. Si se desconoce la dirección de la señal entrante, es mejor tener una antena de baja ganancia (baja directividad) para garantizar una respuesta satisfactoria a las señales de todas las direcciones. Un ejemplo es la antena de un teléfono inteligente. Esta debe ser de baja ganancia porque las señales entrantes y salientes a la estación base celular más cercana van y vienen en una dirección arbitraria.

Conclusión

La antena es un componente fundamental de un producto de IoT. Una elección incorrecta puede comprometer drásticamente el rendimiento del dispositivo inalámbrico. Algunas partes del proceso de selección, como hacer coincidir la antena con la frecuencia de funcionamiento y seleccionar una antena que se adapte al espacio disponible, son sencillas. La clave para elegir la antena correcta es comprender los términos utilizados en la hoja de datos y prestar especial atención al patrón de radiación, la transferencia máxima de potencia, la respuesta de frecuencia y la ganancia.