Consideraciones de diseño de antenas en el diseño de IoT

A medida que más y más dispositivos se conectan a Internet de manera inalámbrica, los ingenieros electrónicos se enfrentan a muchos desafíos, como ensamblar un transmisor de radio para presentar el espacio del equipo y cómo diseñar y fabricar dispositivos con tamaños cada vez más pequeños. Además, se esfuerzan por satisfacer las demandas de los clientes sobre productos IoT (Internet de las cosas) compatibles con la ergonomía, la accesibilidad aplicable y la armonía con el medio ambiente.

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

Afortunadamente, dado que la industria electrónica depende constantemente de una tecnología de proceso de silicio totalmente nueva, los últimos años han sido testigos de chips de silicio cada vez más pequeños. Al integrar la MCU (unidad de control microprogramada) y el extremo frontal de RF en la estructura SoC (sistema en chip), el problema del espacio se resolvió con éxito para la implementación de IoT. Sin embargo, la tendencia de desarrollo hacia SoC no ha resuelto el problema relacionado con la estructura física del transmisor de RF, es decir, la antena. Por lo general, dejamos el diseño de la antena a los clientes o les recomendamos que elijan un módulo de antena fácil de usar con antena integrada. El espacio para la antena es otro desafío que tenemos que enfrentar ya que estamos diseñando pequeños dispositivos IoT. El diseño del espacio requiere alta eficiencia y capacidad de conexión inalámbrica confiable.

¿Por qué SoC?

Como 21 ^st siglo vio el florecimiento inicial de IoT, la industria se consideraba como 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 punteros para la consecución de la conexión:MCU y módem inalámbrico. El espacio mínimo suficiente para la implementación de las funciones fundamentales de IoT se encuentra en 50 mm en todas las dimensiones, lo que significa que el tamaño de todos los dispositivos es solo el de un teléfono celular.

A medida que la industria del silicio avanza constantemente hacia la tecnología que integra MCU y funciones de RF en el espacio de un chip, los desarrolladores comienzan a aprovechar más oportunidades. Ahora, pueden realizar todas las funciones de los dispositivos IoT dentro del mismo IC/SoC. Debido a que la MCU inalámbrica presenta ventajas obvias, el sistema de componentes de IoT comienza a convertirse en una MCU inalámbrica. Como resultado, los ingenieros pueden diseñar dispositivos IoT con solo un tipo de componentes y ahorrar espacio. Además, son capaces de reducir costos debido al bajo costo de los componentes. A medida que las estructuras de los dispositivos IoT modernos estén listas para ser seleccionadas, los sistemas basados ​​en SoC serán más populares debido a su ventaja en tamaño.

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

¿Cómo organizar la antena y cuánto espacio se requiere?

Debe admitirse que la antena tiene que enfrentarse a la complejidad en múltiples dimensiones, ya que se deben considerar tanto el tamaño como la eficiencia. Debido a que el costo de la lista de materiales (BOM) es relativamente bajo, es común que la antena se diseñe a través del rastreo 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 25 mm × 15 mm, lo que hace que el volumen del producto IoT sea grande. Las antenas también presentan otra desventaja cuando se aplican en módulos, es decir, son muy sensibles a la desafinación como resultado del material de blindaje y deben ser consideradas específicamente en el proceso de ensamblaje del producto final para alcanzar el estado óptimo de funcionamiento. En el diseño de SoC, como parte del diseño ordinario, la sintonización de la antena se obtiene en función de algunos conocimientos especializados. En los diseños, no hay diferencia entre la antena PCB y otra antena.

Los fabricantes de antenas han proporcionado durante mucho tiempo "antenas de chip" 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 con GND. Este tipo de antena requiere un rango de espacio libre con un tamaño relativamente grande. Ejemplos típicos de este tipo de antena incluyen antena unipolar y antena flip-F.
b. Antena acoplada con GND. Este tipo de antena solo necesita proporcionar un rango de espacio libre relativamente pequeño o no necesita antena en absoluto.

Ambos tipos de antena presentan un rango de separación o un plano de conexión a tierra y requisitos de espacio en términos del tamaño de la placa de circuito impreso. El espacio llamado por los componentes de RF en el diseño de IoT también debe incluir el rango de separación necesario, ya que no se debe dejar ningún componente o rastro aquí, lo que significa que cuando los diseñadores calculan el tamaño del equipo de IoT, el tamaño de la placa de circuito impreso y el rango de separación deben ser compatibles con antena. Además, se debe mantener cierto espacio entre la antena y el borde del escudo.

Cuando los dispositivos IoT están diseñados para tener el tamaño de una celda de botón, la eficiencia de la antena definitivamente se ve dañada. Cuando tratamos de reducir su tamaño, la eficiencia para lograr el rendimiento de RF se reducirá a partir de entonces. El rendimiento de un dispositivo con menos de 10 mm en todas las dimensiones no se logrará hasta la frecuencia de 2,4 GHz. Por ejemplo, se puede proporcionar una conexión Bluetooth de más de 10 metros a los usuarios de teléfonos móviles, lo que es aceptado por la mayoría.

Sin embargo, cuando el tamaño en todas las direcciones se acerque a 20 mm, la eficiencia de RF aumentará drásticamente. Cuando se acerque a 40 mm, la alta eficiencia de numerosas antenas con sintonización de conexión a tierra alcanzará el nivel más alto.

Eso significa que la distancia de comunicación entre dos dispositivos equivalentes debe estar en el rango de 60 mm a 400 mm 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 los 500 metros o más. Por lo tanto, los diseñadores deben equilibrar el tamaño de la PCB y el rendimiento y la eficiencia de la antena en función de las diferencias de aplicaciones y el tamaño objetivo porque la mayoría de las antenas de chip consideran el plano de conexión a tierra de la 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, por lo que los diseñadores deben considerar el rango de espacio libre para lograr una conexión a tierra óptima del módulo.