Optimización del diseño de antena para dispositivos IoT compactos

A medida que más y más dispositivos se conectan a Internet de forma inalámbrica, los ingenieros electrónicos se enfrentan a muchos desafíos, como cómo hacer que el transmisor de radio se ensamble en el espacio del equipo actual y cómo diseñar y fabricar dispositivos con tamaños cada vez más pequeños. Además, se esfuerzan por satisfacer las demandas de los clientes en productos IoT (Internet de las Cosas) compatibles con ergonomía, accesibilidad aplicable y armonía con el entorno.

Cuando se consideran los productos IoT, la expectativa de tamaño es una de las consideraciones más importantes, aparte de la cual las propiedades de radio y el precio también se consideran comúnmente. Idealmente, los ingenieros prefieren componentes IoT con tamaño pequeño, excelente rendimiento RF (frecuencia de radio) y precios bajos. Sin embargo, los componentes IoT generalmente no contienen todas las ventajas mencionadas, por lo que los proveedores de soluciones tienen que enfrentarse a desafíos.

Afortunadamente, a medida que la industria electrónica depende constantemente de una tecnología de proceso de silicio totalmente nueva, los últimos años han sido testigos de un tamaño cada vez menor de los chips de silicio. Al integrar el MCU (unidad de control microprogramada) y el front-end RF en una estructura SoC (system on chip), el problema del espacio se ha resuelto con éxito para la implementación de IoT. Sin embargo, la tendencia de desarrollo hacia SoC no ha resuelto el problema concerniente a la estructura física del transmisor RF, es decir, la antena. Generalmente dejamos el diseño de antena a los clientes o les aconsejamos que elijan un módulo de antena fácil de usar con antena integrada. El espacio para la antena es otro desafío al que nos enfrentamos al diseñar pequeños dispositivos IoT. El diseño del espacio requiere alta eficiencia y capacidad de conexión inalámbrica fiable.

¿Por qué SoC?

Cuando el siglo XXI vio el florecimiento inicial de IoT, la industria se consideraba M2M (máquina a máquina). Los componentes que contribuyen a la interconexión IoT incluyen principalmente módem GPRS, cable serie Bluetooth o radio Sub-G. Todos los diseños aprovechan dos componentes principales para el logro de la conexión: MCU y módem inalámbrico. El espacio mínimo suficiente para la implementación de funciones fundamentales de IoT es de 50mm en todas las dimensiones, lo que significa que el tamaño de todos los dispositivos es solo el de un teléfono móvil.

A medida que la industria del silicio se mueve consistentemente hacia la tecnología que integra las funciones de MCU y RF en el espacio de un chip, los desarrolladores comienzan a abrazar más oportunidades. Ahora, pueden hacer que todas las funciones de los dispositivos IoT se logren dentro del mismo IC/SoC. Debido a que el MCU inalámbrico presenta ventajas obvias, el sistema de componentes IoT comienza a convertirse hacia el MCU inalámbrico. Como resultado, los ingenieros pueden diseñar dispositivos IoT con solo un tipo de componentes y ahorrar espacio. Además, pueden reducir el costo debido al bajo costo de los componentes. A medida que las estructuras de los dispositivos IoT modernos están listas para ser seleccionadas, los sistemas basados en SoC serán más populares debido a la ventaja en tamaño.

Sin embargo, la tendencia de desarrollo hacia SoC no resuelve el problema de la estructura física, es decir, la antena.

¿Cómo organizar la antena y cuánto espacio se requiere?

Hay que admitir que la antena tiene que enfrentarse a la complejidad en múltiples dimensiones ya que tanto el tamaño como la eficiencia deben considerarse. Debido a que el costo de BOM (lista de materiales) es relativamente bajo, es común que la antena se diseñe a través de trazas de PCB para el diseño de IoT. Sin embargo, la antena de PCB requiere un requisito de tamaño notable que generalmente está dentro del rango de 25mm×15mm, lo que lleva el volumen del producto IoT a ser grande. Las antenas también presentan otra desventaja cuando se aplican en módulos, es decir, son muy sensibles al desintonizado (detuning) como resultado del material de blindaje y necesitan ser consideradas específicamente en el proceso de ensamblaje del producto final para alcanzar el estado de funcionamiento óptimo. En el diseño SoC, como parte del diseño ordinario, la sintonización de antena se obtiene dependiendo de algún conocimiento especializado. En los diseños, no hay diferencia entre la antena de PCB y otras antenas.

Los fabricantes de antenas han estado proporcionando "antena chip" durante mucho tiempo para simplificar el trabajo de diseño. Además, este tipo de antena presenta ventajas en términos de tamaño. Esta categoría de antenas se proporciona principalmente a través de las siguientes formas:
a. Antena desacoplada de GND. Este tipo de antena requiere un rango de clearance (espacio libre) con tamaño relativamente grande. Ejemplos típicos de este tipo de antena incluyen antena unipolo y antena flip-F (inverted-F).
b. Antena acoplada con GND. Este tipo de antena solo necesita proporcionar un rango de clearance relativamente pequeño o no necesita antena en absoluto.

Ambos tipos de antena presentan rango de clearance o plano de tierra y requisito de espacio en términos de tamaño de PCB. El espacio requerido por los componentes RF en el diseño de IoT también debe incluir el rango de clearance necesario ya que ningún componente o traza debe dejarse aquí, lo que significa que cuando los diseñadores están estimando el tamaño del equipo IoT, el tamaño de PCB y el rango de clearance deben notarse compatibles con la antena. Además, cierto espacio debe mantenerse entre la antena y el borde del blindaje.

Cuando los dispositivos IoT se diseñan para ser del tamaño de una pila de botón, la eficiencia de la antena definitivamente se daña. Cuando intentamos hacer su tamaño más pequeño, la eficiencia para lograr el rendimiento RF se reducirá a partir de entonces. El rendimiento del dispositivo con menos de 10mm en todas las dimensiones no se logrará hasta en la frecuencia de 2.4GHz. Por ejemplo, la conexión Bluetooth sobre 10 metros puede proporcionarse a usuarios de teléfonos móviles, lo cual es aceptado por la mayoría.

Sin embargo, cuando el tamaño en todas las direcciones se acerca a 20mm, la eficiencia de RF aumentará dramáticamente. Cuando se acerca a 40mm, la alta eficiencia de numerosas antenas con sintonización de tierra lograda escalará al máximo.

Eso significa que la distancia de comunicación entre dos dispositivos equivalentes debería estar en el rango de 60mm a 400mm de acuerdo con el protocolo Bluetooth 4.2. Una vez que se aplica el protocolo 15.4 (zigbee por ejemplo), la distancia de comunicación más larga dentro de un rango visual puede alcanzar 500 metros o más. Por lo tanto, los diseñadores necesitan equilibrar el tamaño de PCB y el rendimiento y eficiencia de la antena basándose en las diferencias de aplicaciones y tamaño objetivo porque la mayoría de las antenas chip consideran el plano de tierra de PCB como una sección de la configuración de la antena. Además, la posición de la antena/módulo también juega un papel clave en la fase de diseño para que los diseñadores necesiten considerar el rango de clearance para lograr la puesta a tierra óptima del módulo.