Las antenas virtuales simplifican el diseño de antenas integradas en el IoT

Las antenas siempre han ocupado un lugar contradictorio y a veces confuso en el mundo inalámbrico. Por un lado, son simples transductores pasivos entre la energía confinada en los conductores, representada por la tensión y la corriente, y la energía electromagnética dispersa y radiante que existe en el vacío o el aire. Por otro lado, están disponibles en una desconcertante gama de formas físicas, configuraciones, estilos y tamaños. Desde los primeros días de la tecnología inalámbrica (pensemos en Marconi y remontémonos a más de un siglo atrás), la concepción, el diseño y la fabricación de antenas ha pasado por varias fases importantes.

La primera fase

Las primeras antenas se basaban en una de dos estructuras fundamentales: el monopolo con un plano de tierra asociado (a veces llamado antena de látigo) (Figura 1) y el dipolo equilibrado, sin conexión a tierra, en varias configuraciones, como el dipolo plegado (Figura 2). Aunque los investigadores e ingenieros sabían que el rendimiento de la antena se regía en última instancia por las cuatro ecuaciones de Maxwell, no era posible utilizarlas para el diseño de la antena debido a la enorme complejidad que implicaban el modelado y los cálculos.

Figura 1: La disposición de la antena de cable largo o látigo es un diseño de un solo elemento que utiliza un plano de tierra, en este caso, la superficie del automóvil (izquierda); la ilustración de la antena muestra su simplicidad (derecha). (Fuente de las imágenes: Lihong Electronic [izquierda]; Electronics Notes [derecha])

Figura 2: El dipolo básico es una antena simétrica equilibrada sin una referencia de conexión a tierra (arriba), como se muestra en la ilustración (abajo). (Fuente de las imágenes: TCARES.net [arriba] y Tutorials Point [abajo])

Como resultado, el análisis relacionado con la antena se limitó a las ecuaciones básicas que se utilizaron para dimensionar los elementos de las antenas, como el monopolo, el dipolo, el cable largo y algunas otras configuraciones. Estas ecuaciones también se modificaron utilizando reglas empíricas, intuición y ensayos de campo. Por ejemplo, se sabía que el uso de tubos en lugar de alambres finos para los dipolos aumentaba su ancho de banda, lo que podía ser bueno o malo dependiendo de la aplicación; la cantidad de este aumento frente al diámetro de los tubos se estimó utilizando directrices basadas en la experiencia y en mediciones básicas. Incluso las discusiones académicas sobre los diseños de antenas y sus principios de funcionamiento incluían pocas ecuaciones más allá de las discusiones básicas sobre la disposición frente a la longitud de onda, como se pone de manifiesto en el documento técnico de 1926 para la clásica antena Yagi-Uda (Referencia 1) (Figura 3).

Figura 3: La antena Yagi básica (arriba) es una antena de tres elementos muy utilizada en aplicaciones comerciales, residenciales y militares. Los tres elementos (abajo) son un elemento dipolo accionado (activo) con un reflector pasivo detrás y un director pasivo delante, todos montados en un solo brazo. (Fuente de las imágenes: EuroCaster/Dinamarca [arriba]; RFWireless-World [abajo])

La segunda fase

La segunda ola de innovación en el diseño de antenas comenzó con la disponibilidad de modelos y algoritmos que captaban los atributos de las antenas y que podían ejecutarse en computadoras para resolver los modelos y ecuaciones del campo electromagnético en un tiempo razonable, siempre que estos modelos no fueran muy complicados.

Estos "solucionadores de campo" permitían a los diseñadores de nuevas configuraciones de antena utilizar la combinación de la teoría de la antena y la experiencia de campo para proponer nuevas disposiciones, modelarlas y, finalmente, cuantificar su rendimiento "en papel", sin necesidad de un modelo físico ni de pruebas de campo en sus fases iniciales de diseño. Este enfoque funcionaba hasta cierto punto, pero no dejaba de ser un sistema de éxito o fracaso. Sin embargo, permitía a los ingenieros centrarse en el diseño de una antena y ajustarlo y modificarlo una y otra vez hasta que cumpliera los objetivos del proyecto.

Un ejemplo extraordinario de ello fue el desarrollo del primer avión furtivo, el F-117 Nighthawk, en el legendario Skunk Works de Lockheed (referencias 2 y 3). Gran parte del trabajo teórico para reducir su firma de radar en muchos órdenes de magnitud se basó en soluciones analíticas y ecuaciones complejas.

Estas ecuaciones analizaban el reflejo de los campos de energía electromagnética en el avión cuando estaba cubierto por las señales de radar. El objetivo del proyecto era utilizar opciones únicas y poco convencionales en el material, la forma, el tamaño, los ángulos, las uniones y otros elementos de diseño de los paneles de revestimiento, para minimizar la tendencia inherente de estas superficies a actuar como una antena. Esto, a su vez, hacía que el avión volviera a irradiar y reflejar la energía en un modo similar al de una antena y, por tanto, fuera invisible para el receptor del sistema de radar.

La tercera fase es muy diferente

Ahora estamos entrando en una nueva ola de diseño de antenas basado en modelos, que encara el reto desde una perspectiva diferente. En lugar de depender de una antena asignada para irradiar una señal de radiofrecuencia (RF), el dispositivo de internet de las cosas (IoT) o el teléfono inteligente irradian la señal directamente desde el plano de tierra.

Para ello, se sustituye una antena integrada convencional por un amplificador de antena Ignion NN03-320 mXTEND (figura 3), un componente pasivo de 7.0 milímetros (mm) de largo × 3.0 mm de ancho × 2.0 mm de alto que tiene aproximadamente una décima parte del tamaño de una antena tradicional (nótese que Ignion se conocía como Fractus Antennas hasta 2021).

Figura 4: El Ignion NN03-320 DUO mXTEND es un componente pasivo diminuto que utiliza el plano de tierra de la placa de circuito del producto para irradiar la señal de RF. (Fuente de imagen: Ignion)

Con su tecnología única y patentada de antena virtual (el nombre comercial de la tecnología "sin antena" basada en una nueva generación de componentes diminutos), este amplificador es siempre el mismo componente, independientemente del tamaño o el factor de forma de la placa de circuito impreso. El diseñador lo ajusta a las bandas de frecuencia deseadas creando y ajustando la disposición y los valores de los componentes de la red de adaptación.

En otras palabras, esta disposición crea una nueva y beneficiosa sinergia entre el amplificador de antena y el plano de tierra circundante. Una analogía aproximada sería el efecto de fijar un pequeño controlador piezo de audio a un tablero rígido: el tablero resonaría y, en efecto, aumentaría significativamente el nivel de salida de audio resultante.

Los amplificadores de antena Ignion son componentes estándares y comerciales de montaje superficial que sustituyen a las antenas planas con forma de F invertida personalizadas (PIFA) y a las antenas de circuito impreso. Son mucho más pequeñas que la longitud de onda operativa, normalmente por debajo de 1/30 o incluso 1/50 de la longitud de onda y más. Proporcionan una conectividad inalámbrica multibanda totalmente funcional, lo que permite que un único componente amplificador de antena funcione eficazmente en múltiples diseños móviles e inalámbricos, y reduzca, así, el tiempo de comercialización, las inversiones en desarrollo de productos y, por supuesto, el costo. Además, como los amplificadores de antena están construidos físicamente como antenas de chip, pueden instalarse con sistemas convencionales de seleccionar y colocar, lo que supone un menor costo de producción y una mayor calidad y confiabilidad.

Conseguir una adaptación

La red de adaptación es la clave para conseguir un rendimiento único del amplificador. Aunque el amplificador de antena es estándar y puede utilizarse en una gran variedad de productos móviles, la red de adaptación debe personalizarse según cada producto, pero es un esfuerzo de diseño inicial y único.

Cambiando la red de adaptación, la respuesta de RF del amplificador puede personalizarse para cubrir las múltiples bandas de frecuencia necesarias en un dispositivo IoT o un teléfono inteligente moderno. Los dispositivos IoT más sencillos de una sola banda necesitan una red de adaptación con entre tres y cinco componentes, mientras que un teléfono inteligente multibanda puede necesitar un par de amplificadores y entre cinco y ocho componentes de alta calidad para su red de adaptación.

Ignion simplifica el esfuerzo de diseño con una herramienta de desarrollo gratuita que permite al diseñador colocar virtualmente el amplificador cerca del borde de la placa de circuito, definir una zona "despejada" alrededor del amplificador sin componentes y, luego, calcular los comentarios pasivos necesarios para la red de adaptación. En el caso del multipuerto NN03-320, las redes de adaptación calculadas permiten que el dispositivo cubra múltiples bandas y aplicaciones, como GNSS, Bluetooth, 5G y UWB, en frecuencias que abarcan de 1561 a 1606 megahercios (MHz), de 2400 a 2500 MHz, de 3400 a 3800 MHz, de 3100 a 4800 MHz y de 6 a 10.6 gigahercios (GHz) (Figura 5).

Figura 5: El amplificador de antena NN03-320 puede utilizarse para diferentes o múltiples bandas cuando se le instala el circuito de adaptación de componentes pasivos adecuado entre la fuente de RF y el amplificador. (Fuente de imagen: Ignion)

La hoja de datos del NN03-320 especifica el rendimiento de este componente de amplificador de antena virtual de 50 ohmios (Ω) y la red de adaptación optimizada utilizando parámetros de antena estándar para cada banda, e incluyendo la eficiencia, la ganancia de pico, la relación de onda estacionaria de voltaje (VSWR), la polarización y el patrón de radiación.

Las notas de aplicación muestran diagramas esquemáticos típicos de redes de adaptación como la Figura 6, e incluyen una tabla de valores de componentes pasivos sugeridos para cada tramo de frecuencia deseado. Aunque estos valores sirven como puntos de partida, deberán ajustarse para tener en cuenta los parásitos no previstos, así como los efectos de los componentes cercanos, como pantallas o circuitos integrados.

Figura 6: Este diagrama esquemático sugerido para una red de adaptación de doble banda también viene con una tabla de valores de componentes pasivos sugeridos para proporcionar un punto de partida para el diseño, el análisis y la evaluación. (Fuente de imagen: Ignion)

Conclusión

Los amplificadores de antena, como los de Ignion, son una forma diferente de irradiar energía de RF utilizando el plano de tierra como superficie radiante. Estos dispositivos amplificadores pasivos y de montaje superficial ofrecen una alternativa a las disposiciones convencionales de antenas integradas para dispositivos IoT y teléfonos inteligentes. Un solo dispositivo de antena virtual puede servir para diferentes partes del espectro de RF, simplemente ajustando adecuadamente la configuración de su red de adaptación pasiva.

Referencias

1: Yagi, Hidetsu; Uda, Shintaro, Proceedings of the Imperial Academy (Actas de la Academia Imperial) (febrero de 1926). "Projector of the Sharpest Beam of Electric Waves” (Proyector del haz más agudo de ondas eléctricas) (PDF).

2: Revista Air Force, “How the Skunk Works Fielded Stealth” (Cómo se desplegó el Skunk Works sigilosamente)

3: Ben Rich, “Skunk Works: A Personal Memoir of My Years of Lockheed” (Una memoria personal de mis años en Lockheed)