Antenas en dispositivos digitales miniaturizados

En los próximos años, un número creciente de diseñadores y desarrolladores de circuitos tendrán que enfrentarse cada vez más a los fundamentos de la tecnología inalámbrica, muchos de ellos por primera vez.

La razón de ello es el avance del IoT, los wearables inteligentes y otros dispositivos electrónicos miniaturizados con transmisión inalámbrica de información. Las antenas desempeñan un papel importante en este sentido. Para proporcionar asistencia, Antenova ofrece una gama cada vez mayor de antenas miniaturizadas de todo tipo, así como otros servicios y numerosas opciones de información. Este artículo ofrece una visión general.

La empresa británica Antenova se fundó en 1999 y ofrece hardware y servicios para la transmisión inalámbrica de información en todo el mundo [1]. Se centra en antenas miniaturizadas para dispositivos informáticos de todo tipo. Antenova se considera líder del mercado en este sector de productos. La gama de antenas se amplía constantemente para ofrecer soluciones de alto rendimiento a los últimos requisitos de conectividad inalámbrica. Un ejemplo de ello es el continuo triunfo de los wearables. No sólo ha traído consigo una nueva área de negocio, sino que también ha dado lugar a nuevas y mayores exigencias sin precedentes para las soluciones de antena en términos de diseño, material y fiabilidad. Otro ejemplo son las exigencias a la tecnología de transmisión inalámbrica derivadas de la transición masiva a las aplicaciones M2M e IoT. También en este caso se requieren soluciones de antena nuevas, fiables y rentables. La figura 1 muestra que las antenas son los componentes críticos de un sistema inalámbrico de transmisor (TX) y receptor (RX) [2].Fig. 1: Típico sistema de radio inalámbrico de corto alcance

Altos requisitos de producto, gran variedad de productos

Antenova suministra a los principales proveedores de módulos e integradores de sistemas. Las consideraciones clave para las soluciones de antena estándar de la empresa, que se requieren para aplicaciones inalámbricas M2M, IoT y de electrónica embebida, son

• alta eficiencia
• bajo consumo de energía
• rendimiento fiable
• facilidad de montaje automatizado
• pequeños diseños personalizados

La empresa con sede en Hatfield cubre una amplia gama de aplicaciones con sus productos: GSM, CDMA, 3G, 4G, 5G, LTE, GPS, GLONASS, Beidou, Wi-Fi, Bluetooth, ZigBee, ISM y NB-IoT. Antenova ganó un premio de hardware en Embedded World 2018, por ejemplo, por su alta calidad de antena.

La gama de aplicaciones ya mencionada sugiere que Antenova sirve a clientes de todo el mundo y, por lo tanto, también tiene sucursales en Taiwán y China, por ejemplo. Las series de antenas estándar para aplicaciones WLAN, Wi-Fi, GPS, ISM y telecomunicaciones están reconocidas como líderes en sus mercados. Constantemente se añaden nuevas antenas para nuevas aplicaciones M2M e IoT. La gama de productos se divide en siete grupos:

• gigaNOVA - gama original de antenas miniatura integradas
• lamiiANT - familia de antenas SMD fabricadas con materiales FR4
• flexiiANT - grupo de antenas FPC flexibles con cable y conector fijados a la parte inferior o a la carcasa de un producto
• antenas terminales - antenas delgadas y ergonómicas de alto rendimiento con un diseño elegante
• RADIONOVA: módulos de antena de alto rendimiento para aplicaciones inalámbricas M2M e integradas.
• ceriiANT - familia de antenas cerámicas en miniatura que se encuentran entre las antenas más pequeñas del mundo
• REFLEKTOR - antenas para funcionamiento sin desintonización en superficies metálicas o cuando la carcasa del producto es principalmente de metal.

A continuación se presentan brevemente algunos tipos de antenas.

Desarrollos recientes de antenas

La gama de antenas se adapta constantemente a los avances de la electrónica. A principios de julio de este año, Antenova lanzó Lutosa, una antena compacta de alto rendimiento para las bandas 5G que puede utilizarse en todo el mundo, incluidas la banda 74 (1420-1520 MHz) y la banda 71 (617-698 MHz)(Fig. 5). Forma parte de la familia flexiiANT mencionada anteriormente.Fig. 5: Antena Lutosa para la banda 5G y otras áreas

Lutosa es una antena flexible que mide 95x15x0,15 mm y es ideal para diseños más pequeños, ya que se puede doblar o plegar e insertar en el dispositivo. La antena tiene polarización lineal y ha demostrado una alta eficiencia en las pruebas. Antenova ha desarrollado esta solución para integrarla fácilmente en un dispositivo. La antena no necesita toma de tierra ni una red adecuada y se fija simplemente con su propia tira autoadhesiva. Está diseñada para la próxima generación de aplicaciones M2M e IoT que utilizan streaming de vídeo y altas velocidades de transmisión de datos en las redes 5G. Esta antena será adecuada para vehículos autónomos, hotspots Wi-Fi celulares, drones de reparto urbano y CCTV sobre 5G.

Lepida SR4L054, una antenade banda ancha 5G de alto rendimiento en diseño SMD, se incorporó el pasado otoño y está diseñada para ofrecer una alta eficiencia y un alto rendimiento en todo el espectro de 600MHz a 3800MHz(Fig. 6).Fig. 6: Antena de banda ancha 5G de alto rendimiento en diseño SMD Lepida SR4L054

Paul Hill, consejero delegado de Antenova, comentó: "Lepida se dirige al creciente mercado 5G y marca la continuación de un periodo de éxitos para Antenova. Las ventas se han mantenido bien a pesar de Covid. Nuestra empresa está en buena forma para capitalizar las crecientes oportunidades del 5G."

Ya en el verano de 2019, la empresa incorporó Minuta, una nueva antena Wi-Fi ultracompacta de doble banda, a su gama de diminutas antenas integradas. Minuta es una antena cerámica que mide 1,0 x 0,5 x 0,5 mm, lo que la convierte en una de las antenas embebidas más pequeñas disponibles en la actualidad. Antenova ha desarrollado esta antena para la nueva banda de frecuencias de 4,9-5,9GHz, menos perturbada que la de 2,4-2,5GHz y que ofrece mejores prestaciones con menos interferencias. No obstante, sirve para ambas gamas(Fig. 7). Minuta forma parte de la familia CeriiANT.Fig. 7: Antena Wi-Fi ultracompacta de doble banda Minuta

Minuta ofrece a los diseñadores una gran flexibilidad en el diseño de una placa de circuito impreso, ya que no es necesario colocarla en una esquina, sino que puede colocarse a lo largo de uno de los bordes largos de la placa. La antena es ideal para puntos de acceso y dispositivos portátiles. El fabricante recomienda Minuta especialmente para la tecnología vestible y los dispositivos corporales, ya que es menos propensa a la desintonización cuando se utiliza cerca del cuerpo humano.

Se requieren grandes conocimientos

Las antenas no son como cualquier otro tipo de circuito integrado. Para alcanzar un alto nivel de rendimiento, requieren un entorno operativo optimizado. He aquí algunos factores que hay que tener en cuenta al iniciar el diseño de una placa de circuito impreso:

• Miniaturización
• Disposición de los componentes
• Espaciado de la carcasa de la antena
• Colocación del plano de tierra
• Material de la carcasa del dispositivo
• Diseño de la vía

Para obtener los mejores resultados en una aplicación determinada, el diseñador del conjunto o del dispositivo final debe conocer los posibles efectos de la configuración de la antena en el rendimiento de RF(Fig. 8). Una vez decidida la configuración, el rendimiento de la antena puede optimizarse midiendo in situ su impedancia de entrada y diseñando un circuito adecuado para que el chip de RF funcione, por ejemplo, con una impedancia de carga de 50 ohmios.Fig. 8: La disposición de una antena en un conjunto requiere mucho cuidado .

En una nota de aplicación para antenas de la serie gigaNOVA para el sector de la radio móvil, se dan algunos consejos a los diseñadores de placas de circuitos sobre a qué tienen que prestar atención al diseñar la placa de circuitos o el módulo y también el dispositivo final [3]. El punto de partida de la información es que las antenas de radio móvil de esta serie suelen ser muy pequeñas: su dimensión más larga es mucho menor que un cuarto de la longitud de onda de la señal que se va a procesar. La primera tarea consiste en seleccionar la antena correcta para la aplicación y colocarla en el módulo correspondiente. En [3], por ejemplo, se da una nota para la colocación correcta de la antena en la placa de circuito impreso según la figura 9, de modo que la función de la antena no se vea afectada negativamente.Fig. 9: Nota para la colocación correcta de una antena de la serie gigaNOVA de Antenova

La violación del límite sugerido conlleva una reducción progresiva del ancho de banda de impedancia de la antena y un mayor riesgo de pérdida de energía de RF debido al acoplamiento en otras partes del circuito. Debido a las interacciones entre la antena, las dimensiones de la placa de circuito impreso y la disposición respectiva, los tipos de componentes y las funciones de circuito de los componentes pertinentes, es muy difícil dar directrices cuantitativas sólidas. La modelización electromagnética detallada es posible, pero resulta muy costoso modelizar un circuito complejo con el detalle necesario, especialmente si algunas de las interacciones implican circuitos integrados digitales complejos.

Las antenas se montan en una zona libre de planos de tierra de cobre de la placa de circuito impreso. Generan campos electromagnéticos de igual intensidad a ambos lados de la placa de circuito impreso en la que están montadas. Esto da lugar a algunos requisitos básicos para el diseñador, que a primera vista parecen bastante triviales:

• No coloque nunca planos de tierra ni tramos de conductores debajo de la antena.
• Nunca coloque la antena cerca de objetos metálicos.
• En el dispositivo final, los cables y componentes no deben estar demasiado cerca de la antena.
• Las antenas monopolo como Reflexus y Calvus requieren un plano de tierra adecuado para ser eficientes.
• La sintonización final debe realizarse siempre en la carcasa del producto final, es decir, no al aire libre
• No utilice nunca una antena con un diseño completamente distinto al de referencia y espere que funcione sin sintonización.
• No utilice carcasas metálicas ni plástico metalizado alrededor de la antena
• Compruebe que la carcasa de plástico no tiene pérdidas de RF elevadas, preferiblemente antes de la producción.
• No utilice nunca componentes de carga de bajo Q y no cambie de fabricante sin volver a realizar las pruebas.
• No utilice trazas muy estrechas. Deben ser relativamente anchas si el espacio lo permite.

Servicios

A medida que la tecnología de transmisión inalámbrica se introduce en cada vez más productos como parte de la transición a las fábricas inteligentes, IoT, wearabless, hogares inteligentes, etc., un número creciente de diseñadores y desarrolladores de circuitos tienen que enfrentarse a los fundamentos de la tecnología inalámbrica, muchos de ellos por primera vez. Para ayudarles en su trabajo, Antenova ofrece una gama estándar de antenas en constante crecimiento, así como servicios adicionales como

• Puesta a punto y pruebas de antenas
• Apoyo al ciclo de desarrollo del producto del cliente
• Diseño personalizado de antenas en el caso de soluciones individuales.

Las antenas de Antenova están diseñadas específicamente para su integración en un dispositivo de comunicación inalámbrica. La empresa denomina a esta filosofía de diseño Diseño para la Integración (DFI). Previa solicitud, la empresa proporciona gratuitamente los archivos CAD de todas sus antenas para facilitar la integración de la antena en la fase de diseño. Los archivos CAD pueden descargarse de las páginas de producto correspondientes. Antenova también ofrece revisiones arquitectónicas y Gerber gratuitas.

Más ayuda

Los diseñadores de circuitos impresos y desarrolladores de circuitos pueden obtener ayuda e información adicional de diversas formas en el sitio web de Antenova:

• Artículos técnicos descargables sobre los fundamentos del diseño de placas para productos inalámbricos [4].
• Vídeos de seminarios web, por ejemplo "Cómo elegir la antena adecuada: Una introducción' del 19 de julio de 2021, toda una serie de seminarios web sobre diversos temas en junio/julio de 2021 y un seminario web sobre diseño de dispositivos médicos con comunicación inalámbrica en mayo de 2021 [5].
• Guías rápidas sobre antenas
• Casos prácticos
• Libros blancos para descargar, por ejemplo "The ultimate guide to impedance matching".

También se puede descargar gratuitamente una calculadora de líneas de transmisión. Ofrece a los interesados opciones rápidas, sencillas y flexibles para seleccionar las dimensiones óptimas de la línea de transmisión. El blog de Antenova también contiene un artículo sobre consideraciones básicas de diseño para dispositivos inalámbricos de salud electrónica. Dice así: "Diseñar cualquier producto nuevo tiene sus retos, pero los dispositivos de sanidad electrónica operan en un entorno especialmente difícil. Aparte de los problemas habituales con la legislación sobre radiofrecuencias, el entorno normativo de la tecnología sanitaria es bastante complejo, y los propios usuarios suelen tener requisitos específicos. Además, estos dispositivos pueden utilizarse en situaciones de vida o muerte, por lo que su fiabilidad debe cumplir las normas más estrictas. En consecuencia, el desarrollo de dispositivos de sanidad electrónica requiere más cuidado y planificación que muchos otros sistemas.

Nueva herramienta gratuita para colocar antenas en placas de circuito impreso

En mayo de 2021, Antenova anunció que ha desarrollado una nueva herramienta de software para ayudar a los diseñadores a colocar antenas en un diseño inalámbrico. La herramienta Antenna Selection & Placement Tool muestra la posición óptima de las antenas integradas en la placa de circuito impreso, en función de las dimensiones de la placa y las especificaciones de las antenas [6](Fig. 10). Coloca cada antena individual en la placa de circuito impreso en la mejor posición para la intensidad de la señal. La empresa ha desarrollado esta herramienta para ayudar a los diseñadores de productos que no tienen acceso a expertos internos en antenas.Fig. 10: La nueva herramienta de Antenova ayuda a colocar varias antenas en una placa.

La herramienta está diseñada para ayudar a los diseñadores a colocar la antena en la mejor posición en las primeras fases del proceso de diseño y conseguir más fácilmente un diseño inalámbrico funcional. Puede utilizarse para una sola antena o para hasta tres, ya que los dispositivos más recientes suelen requerir la instalación de varios tipos de antena. La colocación de antenas se vuelve más compleja cuando hay más de una antena en el diseño, ya que cada una de ellas debe poder radiar correctamente sin causar interferencias con las demás. Por este motivo, puede agrupar hasta tres antenas de diferentes categorías o un par de antenas en una configuración diversity.

La herramienta de colocación de Antenova será muy valiosa para los diseñadores que creen diseños para las pequeñas placas de circuito impreso de algunos de los últimos rastreadores y dispositivos móviles. La herramienta no sólo muestra la mejor posición para la antena, sino también la zona de separación junto a la antena que debe mantenerse libre de otros componentes. De este modo, ayuda a los diseñadores a empaquetar los componentes lo más ajustadamente posible y ahorrar espacio en el diseño.

"Los conocimientos de ingeniería de radiofrecuencia escasean y no todos los diseñadores tienen acceso a especialistas en antenas. Por eso ofrecemos nuestra herramienta de colocación de antenas, que ayuda a los diseñadores a empezar con su diseño inalámbrico y a conseguir un diseño satisfactorio de inmediato", explica Michael Castle, de Antenova. La herramienta está disponible en el blog [7]. También hay un breve artículo introductorio.

Referencias:

[1] www.antenova.com
[2] www.cypress.com
[3] www.glynstore.com/content/docs/antenova/Cellular_gigaNOVA-09MD-0024-2-AN.pdf
[4] https://blog.antenova.com/board-design-for-wireless-products
[5] https://blog.antenova.com/topic/webinars
[6] www.electronicsweekly.com/news/business/free-tool-placing- antena-pcb-2021-05/
[7] blog.antenova.com/how-to-use-antenna-selection-placement-tool