Lograr que los conductores de auriculares tengan una “doble función”

Tiene sentido visualizar una antena como un transductor bidireccional entre la energía electromagnética en el espacio libre definida por las ecuaciones de Maxwell y el voltaje y la corriente de RF confinados en conductores o guías de ondas. Pero los ingenieros siempre se esfuerzan por lograr que una sola ruta o interconexión sirva para otra función no relacionada. Un buen ejemplo es el doble uso de los cables de auriculares sin protección como antenas de FM.

Las primeras radios portátiles AM/FM utilizaban dos antenas: un largo hilo bobinado interno en un núcleo de ferrita para la banda AM de baja frecuencia (550-1600 kilohercios [kHz]) y una antena de "látigo" de uno a dos metros (m) de longitud para la banda FM (88 a 108 MHz). A medida que estas radios se hicieron más pequeñas y aún más portátiles, algunos vendedores eliminaron por completo sus altavoces internos, asumiendo que sus usuarios tendrían auriculares con cable en su lugar.

Esto también permitió una técnica sencilla para eliminar el látigo de FM mediante una simple reutilización de la conexión del auricular dentro de la radio. El mismo enfoque luego se extendió a los reproductores de MP3 que incluían una función de radio FM (Figura 1). Esta técnica sigue siendo empleada por los diseñadores de muchos aparatos electrónicos pequeños con radio FM.

Figura 1: El reproductor de MP3 SanDisk Clip Jam mide solo 55 mm × 35 mm × 10 mm de grosor y funciona durante 20 horas con una sola carga; su radio FM integral utiliza el conductor obligatorio de los auriculares como antena. (Fuente de imagen: Lifewire)

Un cable básico de auriculares sin protección contiene tres conductores. Los canales de audio izquierdo y derecho son conducidos por un amplificador de auriculares en los conductores de audio izquierdo y derecho, mientras que el conductor de audio común se utiliza para la ruta de retorno de audio. El mismo cable también funciona como antena de FM, utilizando un inductor para bloquear la RF de la tierra mientras permite que la señal de audio tenga un retorno a tierra. El circuito mostrado en la Figura 2 se basa en torno a un receptor de AM/FM Skyworks Solutions Si47xx.

Figura 2: La disposición básica para que el cable de auriculares también funcione como antena de FM solo requiere algunos componentes pasivos adicionales. (Fuente de imagen: Skyworks Solutions, Inc.)

Un pequeño capacitor permite que la RF de la antena pase al front-end del receptor mientras bloquea el audio de la entrada de la antena. Las perlas de ferrita proporcionan una ruta de audio de baja impedancia y una ruta de RF de alta impedancia entre el amplificador de auriculares y los auriculares.

Un circuito real es algo más complicado, ya que requiere algunos componentes adicionales para la protección y la descarga de voltaje, y para asegurar que las señales solo vayan a donde deben. El diseño de la Figura 3 utiliza un amplificador de potencia para auriculares Texas Instruments LM4910 configurado para esta función, junto con cualquier circuito de conexión/separación de la señal de la antena que sea necesario.

Figura 3: Este amplificador de auriculares LM4910 está preparado mediante algunos componentes pasivos adicionales para utilizar los conductores de auriculares como antena de FM. (Fuente de imagen: Skyworks Solutions, Inc.)

El conector del auricular de audio izquierdo/derecho de tres hilos recibe las señales de audio amplificadas del LM4910, mientras que la señal FM separada recogida por el blindaje/la tierra del auricular se dirige al front-end del receptor a través de un capacitor de 100 picofaradios (pF). Los diodos D1, D2 y D3 brindan protección en caso de que una descarga electrostática (ESD) supere la capacidad del amplificador del auricular y del receptor.

Puede parecer que esta técnica no debería limitarse únicamente a las señales de transmisión de banda FM (88 a 108 MHz), sino que también sería viable para radio AM (550 a 1550 kHz). En teoría, podría funcionar para las bandas AM siempre que el cable del auricular tenga la longitud correcta. El motivo por el que funciona para la banda FM es que un cable de auricular con una longitud entre un metro y un metro y medio tiene aproximadamente la mitad de la longitud de onda de una señal FM de banda de transmisión, lo cual lo hace resonante y eficaz en esa banda. Para la banda AM, el cable del auricular tendría que tener una longitud de unos 100 metros, lo cual obviamente no es práctico.

Conclusión

Los ingenieros siempre han intentado aprovechar un recurso disponible, como un cable, para darle varios usos. El doble uso de los conductores de auriculares como antena de FM es un ejemplo perfecto. Como se muestra, lo único que se necesita es un amplificador de potencia configurado correctamente, algunos componentes pasivos para el enrutamiento y diodos para la protección.

Referencias

Skyworks Solutions, AN383, “Si47XX Antenna, Schematic, Layout, and Design Guidelines” [Pautas de esquema, disposición y diseño de la antena Si47XX]