Cómo seleccionar y aplicar antenas para dispositivos IoT

La proliferación de dispositivos de Internet de las cosas (IoT) sigue acelerando e inspirando el diseño de productos finales innovadores. Sin embargo, los diseñadores deben recordar que, por mucha creatividad y esfuerzo que dediquen al hardware y al software, la antena desempeña un papel fundamental. Si la antena no funciona bien, el rendimiento del producto se ve gravemente comprometido.

Como interfaz entre el dispositivo y la red inalámbrica, la antena es una parte fundamental del proceso de diseño de dispositivos IoT. Convierte la energía eléctrica en una onda electromagnética de radiofrecuencia (RF) en el transmisor y convierte una señal de RF entrante en energía eléctrica en el receptor. Los diseñadores pueden optimizar el rendimiento de una aplicación seleccionando una antena que cumpla los parámetros clave de ingeniería. Sin embargo, las numerosas opciones y consideraciones disponibles pueden retrasar y encarecer los ciclos de diseño.

Este artículo resume la función de una antena en un dispositivo IoT inalámbrico y describe brevemente los criterios de diseño críticos que influyen en su selección. A continuación, el artículo utiliza antenas de ejemplo de Amphenol para ilustrar las opciones adecuadas para un sensor Bluetooth de baja energía (LE) o Wi-Fi, un rastreador de activos IoT con capacidad de posicionamiento por satélite GNSS, un punto de acceso (AP) Wi-Fi y un dispositivo IoT LoRa.

Interpretación de la hoja de datos

El rendimiento final de una antena depende de decisiones técnicas como la posición de montaje y el diseño de las redes de adaptación de impedancias. Una buena implementación requiere una revisión cuidadosa de la hoja de datos de la antena. Los parámetros clave incluyen:

• Diagrama de radiación: Define gráficamente cómo irradia (o absorbe) la antena la energía radioeléctrica en el espacio tridimensional (Figura 1).
• Máxima transferencia de potencia: Una buena transferencia de potencia entre la antena y el receptor se produce cuando la impedancia de la línea de transmisión (Z₀) coincide con la de la antena (Z_a). Una mala adaptación de la impedancia aumenta la pérdida de retorno (RL). La relación de ondas estacionarias de voltaje (VSWR) indica la adaptación de impedancia entre la línea de transmisión y la antena (cuadro 1). Los valores altos de VSWR provocan grandes pérdidas de potencia. Una VSWR inferior a 2 suele ser aceptable para un producto IoT.
• Respuesta en frecuencia: La pérdida de retorno (RL) depende de la frecuencia de radio. Los diseñadores deben comprobar en la Hoja de datos la respuesta en frecuencia de la antena para asegurarse de que RL se minimiza a la frecuencia de funcionamiento prevista (Figura 2).
• Directividad: Mide la direccionalidad del diagrama de radiación de la antena. La directividad máxima se define como D_max.
• Eficiencia (η): La relación entre la potencia radiada total (TRP o P_rad) y la potencia de entrada (P_in) se calcula a partir de la fórmula η = (Prad/Pin) * 100%.
• Ganancia: Describe cuánta potencia se transmite en la dirección de máxima radiación. Se suele referenciar a una antena isotrópica con una designación de dBi. Se calcula a partir de la fórmula Gain_max = η * D_max.

Figura 1: Los diagramas de radiación representan gráficamente cómo la antena irradia o absorbe energía radioeléctrica en el espacio tridimensional. Las hojas de datos suelen mostrar la extensión máxima en los planos XY e YZ cuando la antena está montada según lo previsto. (Fuente de la imagen: Amphenol)

Tabla 1: La VSWR indica la adaptación de impedancia entre la línea de transmisión y la antena. Una VSWR inferior a 2 suele ser aceptable para un producto IoT. (Fuente de la tabla: Steven Keeping)

Figura 2: VSWR y RL dependen de la frecuencia. RL debe reducirse al mínimo a la frecuencia de funcionamiento prevista. (Fuente de la imagen: Amphenol)

Elevador de rendimiento

Una antena con un rendimiento deficiente limita la cantidad de energía eléctrica que se transforma en energía radiada en el transmisor y la cantidad de energía que se recoge de las señales de radiofrecuencia entrantes en el receptor. Un rendimiento deficiente en cualquiera de los extremos reduce el alcance del enlace inalámbrico.

El principal factor que afecta al rendimiento de la antena es la impedancia. Un desajuste significativo entre la impedancia de la antena (que está relacionada con la tensión y la corriente en su entrada) y la impedancia de la fuente de tensión que impulsa la antena provoca una mala transferencia de energía.

Un circuito de adaptación de impedancia bien diseñado minimiza la VSWR y las consiguientes pérdidas de potencia al adaptar la impedancia de las fuentes de alimentación del transmisor con la de la antena. La impedancia suele ser de 50 ohmios (Ω) para un producto IoT de baja potencia.

La posición de la antena también influye notablemente en la potencia de transmisión y la sensibilidad de recepción del producto final. Para una antena interna, las directrices de diseño recomiendan colocarla en la parte superior del dispositivo IoT, en el borde de la placa de circuito impreso (pc) y lo más lejos posible de otros componentes que puedan generar interferencias electromagnéticas (EMI) durante el funcionamiento. Los componentes de adaptación de impedancia son una excepción, ya que están próximos a la antena por necesidad. Las placas de PC y las trazas que conectan la antena al resto de los circuitos deben ser los únicos conductores de cobre en una zona libre definida (Figura 3).

Figura 3: Una antena montada en una placa de PC debe colocarse cerca del borde de la placa de PC. La antena también debe colocarse alejada de otros componentes (aparte de los utilizados para el circuito de adaptación de impedancia) incorporando una zona libre. (Fuente de la imagen: Amphenol)

(Para obtener más información sobre las directrices de diseño de antenas, consulte "Cómo utilizar antenas integradas multibanda para ahorrar espacio, complejidad y costos en los diseños de IoT").

Tipos de antena

Especificar la antena es una parte fundamental del proceso de diseño de dispositivos IoT. La antena debe estar optimizada para la banda de RF de la interfaz inalámbrica de destino, por ejemplo, NB-IoT para múltiples bandas entre 450 megahercios (MHz) y 2200 MHz, LoRa para 902 a 928 MHz en Norteamérica, Wi-Fi para 2.4 gigahercios (GHz) y 5 GHz, y Bluetooth LE para 2.4 GHz.

Las antenas emplean distintos conceptos eléctricos. Algunos ejemplos son las antenas monopolo, dipolo, de bucle, F invertida (IFA) y F invertida planar (PIFA). Cada uno se adapta a una aplicación concreta.

También hay antenas monofásicas y diferenciales. Las antenas de un solo extremo no están equilibradas, mientras que las antenas diferenciales sí lo están. Las antenas de un solo extremo reciben o transmiten una señal referenciada a tierra, y la impedancia de entrada característica suele ser de 50 Ω. Sin embargo, como muchos CI de RF tienen puertos de RF diferenciales, suele ser necesaria una red de transformación si se emplea una antena de un solo extremo. Esta red balun transforma la señal de equilibrada a desequilibrada.

Una antena diferencial transmite utilizando dos señales complementarias, cada una en su propio conductor. Dado que la antena está equilibrada, no se necesita balun cuando se utiliza con CI de RF con puertos de RF diferenciales.

Por último, las antenas se presentan en varios factores de forma, como placa de PC, chip o parche, látigo externo y cableado. La Figura 4 ilustra algunos ejemplos de aplicaciones.

Figura 4: Existen diferentes antenas que se adaptan a diversas aplicaciones IoT. (Fuente de la imagen: Amphenol)

Adaptación de la antena a la aplicación

La aplicación y el factor de forma del producto determinan la elección final de la antena. Por ejemplo, si un producto IoT tiene limitaciones de espacio, se puede incorporar una antena de placa de PC directamente en los circuitos de la placa de PC. Estas antenas son una excelente elección para aplicaciones de 2,4 GHz como sensores Bluetooth LE o Wi-Fi en dispositivos inteligentes para el hogar, como iluminación, termostatos y sistemas de seguridad. Ofrecen un rendimiento de RF fiable en una arquitectura de bajo perfil. Aun así, las antenas de placa a placa son difíciles de diseñar. Una alternativa es adquirir la antena de placa de PC a un proveedor comercial. A continuación, puede fijarse a la placa de PC mediante un adhesivo.

Un ejemplo de antena de placa de PC es la antena de RF de rastreo de placa de PC Wi-Fi ST0224-10-401-A de Amphenol. La antena ofrece un diagrama de radiación omnidireccional en las bandas de 2.4 a 2.5 GHz y de 5.15 a 5.85 GHz. La antena mide 30 x 10 x 0.2 milímetros (mm) y tiene una impedancia de 50 Ω. Su RL es inferior a -10 decibelios (dB) en ambas gamas de frecuencia, y su ganancia máxima es de 2.1 dB con respecto a la isotrópica (dBi) en la banda de 2.4 GHz y de 3.1 dBi en la de 5 GHz. Su eficiencia es del 77 y el 71%, respectivamente (Figura 5).

Figura 5: La antena de rastreo de la placa de PC Wi-Fi ST0224-10-401-A es eficaz tanto en la banda de 2.4 como en la de 5 GHz. (Fuente de la imagen: Amphenol)

Otra opción para productos IoT con limitaciones de espacio es una antena de chip. Los equipos de automatización pueden montar directamente este componente compacto en una placa de PC. La antena se adapta a aplicaciones IoT inalámbricas basadas en Bluetooth LE o Wi-Fi. Las principales ventajas de una antena con chip son el ahorro de espacio, la reducción de los costos de fabricación y la simplificación del proceso de diseño.

Como se ha descrito anteriormente, el rendimiento de una antena con chip depende de factores como la disposición de la placa de PC y los componentes circundantes, pero los avances en la tecnología de antenas han dado lugar a dispositivos muy eficaces. Las antenas con chip se adaptan a diversas aplicaciones, desde teléfonos inteligentes y tabletas hasta sistemas domésticos inteligentes y sensores industriales.

Un ejemplo es la ST0147-00-011-A de Amphenol, una antena de chip de montaje en superficie en placa de PC de 2.4 GHz. La antena ofrece un diagrama de radiación omnidireccional en la banda de frecuencia de 2.4 a 2.5 GHz (Figura 6). La antena mide 3.05 x 1.6 x 0.55 mm y tiene una impedancia de 50 Ω. Su RL es inferior a -7 dB, su ganancia máxima es de 3.7 dBi y su eficiencia media es del 80%.

Figura 6: La antena de chip de montaje en superficie ST0147-00-011-A es compacta y presenta un diagrama de radiación omnidireccional en el plano XY. (Fuente de la imagen: Amphenol)

Al igual que las antenas de placa de PC, las antenas de parche son compactas y pueden fijarse directamente a la placa de PC. Una aplicación típica es una antena para un rastreador de activos u otros dispositivos con capacidad para el Sistema Mundial de Navegación por Satélite (GNSS). Las antenas de parche GNSS comprenden un elemento de parche sobre un sustrato dieléctrico. Su alta eficiencia garantiza que la antena capte señales GNSS débiles de varios satélites.

Un ejemplo es la antena de parche pasiva GNSS ST0543-00-N04-U de Amphenol para funcionamiento en las bandas de frecuencia de 1.575 y 1.602 GHz. La antena mide 18 x 18 x 4 mm y tiene una impedancia de 50 Ω. Su RL es inferior a -10 dB para ambos rangos de frecuencia, y su ganancia máxima es de -0.5 dBi en la banda de 1.575 GHz y de 1.0 dBi en la banda de 1.602 GHz. Su eficiencia es del 80 y el 82%, respectivamente.

Las antenas de látigo externas, como la antena de un punto de acceso Wi-Fi, se montan fuera de los dispositivos IoT para optimizar el funcionamiento de la radio. Una antena de látigo externa amplía el alcance de la señal, mejora su calidad y supera obstáculos o interferencias. Son útiles en entornos con señales débiles u obstruidas, como las atenuadas por paredes, techos y muebles en el hogar. Hay disponibles diseños de látigo recto y giratorio, cada uno con conexiones de interfaz de RF estándar como SMA, RP-SMA y tipo N.

Un ejemplo es la antena de varilla SMA RF ST0226-30-002-A de Amphenol de 2.4 y 5 GHz. La antena es una buena solución para AP Wi-Fi y decodificadores (STB). Ofrece un diagrama de radiación omnidireccional en las Bandas de frecuencia de 2.4 a 2.5 GHz y de 5.15 a 5.85 GHz. La antena mide 88 x 7.9 mm de diámetro y tiene una impedancia de 50 Ω. Su RL es inferior a -10 dB en ambos rangos de frecuencia y su ganancia máxima es de 3.0 dBi en la banda de 2.4 GHz y de 3.4 dBi en la de 5 GHz. Su eficiencia es del 86 y el 75%, respectivamente. La antena está disponible con un conector de clavija SMA o RP-SMA (Figura 7).

Figura 7: La antena de látigo externa ST0226-30-002-A para AP Wi-Fi está disponible con un conector de clavija SMA o RP-SMA. (Fuente de la imagen: Amphenol)

Las antenas helicoidales de cable son una opción económica y sencilla para aplicaciones por debajo de los GHz, como los dispositivos IoT LoRa que operan en la banda de frecuencia de 868 MHz. Las antenas suelen soldarse directamente a la placa de PC y ofrecen un buen rendimiento. Algunas desventajas son su voluminosidad, sobre todo a bajas frecuencias, y su eficacia relativamente baja en comparación con otras antenas.

Un ejemplo es la antena de RF ST0686-10-N01-U de Amphenol de 862 MHz (figura 8). Esta antena de cable helicoidal funciona en la banda de frecuencia de 862 a 874 MHz y tiene una impedancia de 50 Ω. Características de la antena: montaje mediante soldadura con una altura máxima de 38.8 mm. Tiene una RL inferior a -9.5 dB, una ganancia máxima de 2.5 dBi y una eficiencia media del 58%.

Figura 8: La antena de cable helicoidal ST0686-10-N01-U es una buena opción para aplicaciones LoRa IoT. (Fuente de la imagen: Amphenol)

Conclusión:

El rendimiento de radio de los dispositivos IoT inalámbricos depende de la selección de la antena, por lo que los diseñadores deben elegir cuidadosamente entre un amplio rango de diseños de antena de proveedores como Amphenol para adaptarse mejor a la aplicación. Las hojas de datos son fundamentales durante la selección, pero seguir las directrices de diseño establecidas garantiza el mejor rendimiento inalámbrico.