Libro Blanco: Opciones para la Integración de Antenas en Dispositivos Inalámbricos Embebidos para IoT
- compositor09
- 28 may
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Al diseñar dispositivos inalámbricos, es fundamental prestar especial atención al diseño de la antena sobre el PCB. Factores como el espacio disponible, la ubicación, el despeje, el plano de tierra y la correcta conexión con otros componentes del PCB afectan directamente el rendimiento de la antena. Considerar adecuadamente estos aspectos desde la etapa inicial del diseño contribuye a lograr una transmisión exitosa y un desempeño inalámbrico confiable.
Una antena que presenta buen rendimiento en espacio libre, tal como se detalla en la hoja de datos del proveedor, puede comportarse de manera muy diferente una vez instalada en un dispositivo real. En el peor de los casos, si la antena se incorpora al final del proceso de diseño, forzándola a ocupar un espacio sin respetar las directrices de layout del fabricante, su rendimiento puede ser deficiente. Esto suele derivar en modificaciones al diseño, incrementando los costos y demorando el tiempo de salida al mercado.
Al seguir los cinco principios fundamentales que se presentan a continuación para el diseño de antenas embebidas en dispositivos electrónicos, se aumenta considerablemente la probabilidad de lograr un diseño exitoso desde el primer intento.
Ubicación de la Antena
Dado que las antenas son altamente sensibles a su entorno, su ubicación aproximada dentro del dispositivo puede tener un impacto significativo en el diseño. Es importante colocar la antena en una posición protegida de objetos que puedan generar interferencias eléctricas.
Los objetos metálicos cercanos a la antena pueden afectar su rendimiento. Por ejemplo, en un rastreador de bicicletas, el dispositivo podría estar montado sobre el cuadro metálico de la bicicleta. En estos casos, cuando el dispositivo opera en proximidad a estructuras metálicas, la antena debe ubicarse lo más alejada posible de dichas estructuras para permitir que radie sin interferencias del entorno metálico.
El material del gabinete del dispositivo también puede influir en el rendimiento de la antena. Si el gabinete está fabricado en metal o en plástico reforzado con fibra de vidrio, puede atenuar la energía radiada por la antena. A menos que se utilice una antena especialmente diseñada para ese tipo de entorno, se recomienda optar por plásticos que no contengan fibra de vidrio para garantizar un desempeño óptimo.
La posición de la antena sobre el PCB afecta directamente el rendimiento en radiofrecuencia (RF). Como la antena debe radiar en seis direcciones, la ubicación es crítica. Aunque muchas antenas están diseñadas para funcionar mejor en las esquinas del PCB, otras pueden tener un desempeño superior en los bordes largos o cortos. Es posible ajustar la ubicación exacta, pero es imprescindible leer atentamente la hoja de datos del fabricante y seguir las recomendaciones de colocación. Esto asegura una radiación adecuada y un rendimiento óptimo.
Posición de la Antena en Relación con Otros Componentes
Incluso una antena de alto rendimiento y alta eficiencia no funcionará correctamente si se encuentra demasiado cerca de componentes que generen interferencias. Estas interferencias pueden originarse en elementos específicos del PCB o en objetos cercanos a la antena.
Ciertos componentes pueden afectar las señales radiadas por la antena. Las baterías, pantallas LCD, motores y otros objetos metálicos pueden generar ruido o reflexiones que deterioran el rendimiento de la antena. Por ello, es recomendable ubicar la antena lo más alejada posible de estos elementos.
La Figura 1 ilustra el área de exclusión (keep-out) de la antena y el espacio libre que debe mantenerse a lo largo de todas las capas del PCB.
Otras antenas cercanas también pueden generar problemas, especialmente si operan en frecuencias similares o en frecuencias que resuenan con la longitud de onda principal. Estas antenas pueden provocar la desintonización (detuning) de la antena principal. Idealmente, las antenas deben estar aisladas entre sí—por ejemplo, con una aislación mínima de -10 dB a 1 GHz y de -20 dB a 2 GHz.
Las antenas también pueden requerir un área de exclusión (keep-out). En esta región solo deben estar presentes los pads de soldadura de la antena y la conexión de alimentación (feed), permitiendo que la antena funcione adecuadamente en espacio libre. Consultá la hoja de datos del fabricante para conocer las dimensiones y distancias mínimas de despeje recomendadas. El área de exclusión suele ser ligeramente mayor que el tamaño físico de la antena, y puede requerirse despeje en todas las capas del PCB. Diseñá el PCB respetando las especificaciones recomendadas de tamaño de antena y área de despeje.
Verificá los Requisitos de Longitud del Plano de Tierra
Las antenas de montaje superficial (SMD) suelen requerir un plano de tierra para radiar energía de manera efectiva. El plano de tierra actúa como un espejo, ayudando a equilibrar la reciprocidad de la antena.
Generalmente, el plano de tierra es más largo que la antena, y su longitud depende de la frecuencia mínima de operación. La hoja de datos especificará los requisitos del plano de tierra, lo que implica que debe dejarse un área de exclusión (keep-out) debajo de la antena. Si el espacio disponible es limitado, se recomienda optar por una antena que requiera un plano de tierra muy reducido, pero que aun así cumpla con los estándares de eficiencia para la radiación por aire.
La Figura 2 muestra que el plano de tierra puede estar adyacente a la antena, ubicado por debajo de ella, o en ambas posiciones.
La distancia entre la antena y el plano de tierra también es un factor crítico, y debe cumplir con las especificaciones indicadas en la hoja de datos de MIOT. Dado que cada antena es diferente, los requisitos del plano de tierra pueden ser un factor determinante en la selección de la antena.
La línea de alimentación conecta la antena con el módulo de radio. Una línea de transmisión mal diseñada puede reducir el rendimiento de la antena hasta en un 50%. Esta parte del diseño requiere una atención especial.
Dos principios de diseño fundamentales:
Ubicá el circuito de RF lo más cerca posible de la antena para minimizar las pérdidas de transmisión. Una línea de transmisión bien diseñada, con vias de borde espaciadas de manera uniforme, ayuda a reducir el ruido y las pérdidas de señal, las cuales podrían degradar el rendimiento de la antena.
Recordá tener en cuenta todas las capas del apilado del PCB; evitá trazar pistas directamente por encima o por debajo de la antena. Todas las líneas de transmisión deben diseñarse con una impedancia característica de 50 Ω.
Considerá Antenas Alternativas
Las antenas de montaje superficial (SMD) son muy útiles en los diseños debido a su tamaño compacto, pero existen otras opciones disponibles. Las antenas en forma de circuitos impresos flexibles (FPC) pueden ofrecer alternativas de diseño valiosas en ciertos casos.
La Figura 3 muestra ejemplos de antenas SMD y FPC diseñadas y fabricadas por MIOT.
Las antenas FPC se conectan al circuito a través de su cable coaxial RF incorporado y ofrecen diversas opciones de conexión. Pueden utilizarse en diferentes ubicaciones dentro del dispositivo sin ocupar espacio valioso en el PCB. Las antenas FPC pueden doblarse o plegarse, lo que permite múltiples posibilidades de instalación; por ejemplo, pueden montarse en el interior del gabinete del dispositivo.
Otra ventaja clave de las antenas FPC es que no requieren un plano de tierra, lo cual simplifica su integración. Sin embargo, el cable coaxial forma parte activa de la antena, por lo que es necesario enrutarlo con cuidado. Se recomienda mantener esta sección de la antena alejada de otros componentes que puedan generar ruido o interferencias.
Las antenas FPC ofrecen beneficios prácticos, pero la elección final entre antenas FPC y SMD dependerá de la naturaleza del dispositivo, el proceso de fabricación y el volumen de producción. Las antenas FPC se fijan mediante adhesivos y requieren colocación manual, lo que las hace adecuadas para producciones en pequeñas series, con plazos de entrega más cortos y ensamblado manual. En cambio, las antenas SMD pueden colocarse directamente sobre el PCB mediante máquinas de pick-and-place. Para dispositivos que requieren producción a gran escala y reducción de costos laborales, las antenas SMD son la mejor opción.
Conclusión
En general, utilizar antenas de bajo perfil y alto rendimiento facilita el proceso de diseño. Sin embargo, el diseño en radiofrecuencia (RF) es altamente complejo, por lo que se recomienda consultar con un especialista en RF antes de finalizar el diseño. En la mayoría de los casos, el diseño debe ser probado en una cámara anecoica para verificar su rendimiento y controlar posibles emisiones no deseadas.
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