Como selecionar e pôr em prática as antenas para dispositivos de IoT

A proliferação de dispositivos da Internet das Coisas (IoT) continua a acelerar e inspirar o projeto de produtos finais inovadores. No entanto, os projetistas devem se lembrar de que não importa quanta criatividade e esforço sejam empregados no hardware e no software, a antena desempenha um papel fundamental. Se a antena não funcionar corretamente, o desempenho do produto ficará seriamente comprometido.

Como a interface entre o dispositivo e a rede sem fio, a antena é uma parte essencial do processo de projeto do dispositivo IoT. Ela converte energia elétrica em uma onda eletromagnética de radiofrequência (RF) no transmissor e converte um sinal de RF de entrada em energia elétrica no receptor. Os projetistas podem otimizar o desempenho de uma aplicação, selecionando uma antena que atenda aos principais parâmetros de engenharia. No entanto, as muitas opções e considerações disponíveis podem levar a ciclos de projeto atrasados e caros.

Este artigo resume a função de uma antena em um dispositivo de IoT sem fio e descreve brevemente os critérios críticos de projeto que influenciam sua seleção. Em seguida, o artigo usa exemplos de antenas da Amphenol para ilustrar as opções adequadas para um sensor Bluetooth de baixa energia (LE) ou Wi-Fi, um rastreador de ativos de IoT com capacidade de posicionamento por satélite GNSS, um ponto de acesso (AP) Wi-Fi e um dispositivo de IoT LoRa.

Interpretação da ficha técnica

O desempenho final de uma antena está sujeito a decisões de engenharia, como a posição de montagem e o projeto de redes de casamento de impedância. Uma boa implementação requer uma análise cuidadosa da ficha técnica da antena. Os principais parâmetros incluem:

• Padrão de radiação: Define graficamente como a antena emite (ou absorve) radiação de energia de rádio no espaço 3D (Figura 1).
• Transferência máxima de potência: A boa transferência de potência entre a antena e o receptor ocorre quando a impedância da linha de transmissão (Z₀) é casada com a da antena (Z_a). O casamento de impedância ruim aumenta a perda de retorno (RL). A relação de tensão da onda estacionária (VSWR ou ROE em português) indica o casamento de impedância entre a linha de transmissão e a antena (Tabela 1). Valores altos de ROE resultam em grandes perdas de potência. Um valor de ROE abaixo de 2 é geralmente aceitável para um produto de IoT.
• Resposta de frequência: A perda de retorno (RL) depende da frequência do rádio. Os projetistas devem verificar a ficha técnica da resposta de frequência da antena para garantir que a RL seja minimizada na frequência de operação pretendida (Figura 2).
• Diretividade: Mede a natureza direcional do padrão de radiação da antena. A diretividade máxima é definida como D_máx.
• Rendimento (η): A relação entre a potência total emitida (TRP ou P_rad) e a potência de entrada (P_in) é calculada pela fórmula η = (Prad/Pin) * 100%.
• Ganho: Descreve a quantidade de potência transmitida na direção do pico de radiação. Em geral, ele se refere a uma antena isotrópica com uma designação de dBi. É calculado pela fórmula Ganho_máx = η * D_máx.

Figura 1: Os padrões de radiação representam graficamente como a antena emite ou absorve radiação de energia de rádio no espaço 3D. As fichas técnicas normalmente mostram a extensão máxima nos planos XY e YZ, quando a antena é montada como pretendido. (Fonte da imagem: Amphenol)

Tabela 1: A ROE indica o casamento de Impedância entre a linha de transmissão e a antena. Um valor de ROE abaixo de 2 é geralmente aceitável para um produto de IoT. (Fonte da tabela: Steven Keeping)

Figura 2: ROE e RL dependem da frequência. A RL deve ser minimizada na frequência de operação pretendida. (Fonte da imagem: Amphenol)

Aumento do desempenho

Uma antena com desempenho ruim restringe a quantidade de energia elétrica que é transformada em energia emitida no transmissor e a quantidade de energia que é coletada dos sinais de RF recebidos no receptor. O desempenho ruim em ambas as extremidades reduz o alcance da ligação sem fio.

O principal fator que afeta o desempenho da antena é a impedância. Um descasamento significativo entre a impedância da antena (que está relacionada à tensão e à corrente em sua entrada) e a impedância da fonte de tensão que excita a antena resulta em uma transferência de energia ruim.

Um circuito de casamento de impedância bem projetado minimiza a ROE e as perdas de potência subsequentes, casando a impedância das fontes de potência do transmissor com a da antena. A impedância é normalmente de 50 ohms (Ω) para um produto de IoT de baixa potência.

A posição da antena também influencia drasticamente a potência de transmissão e a sensibilidade de recepção do produto final. Para uma antena interna, as diretrizes de projeto recomendam a colocação na parte superior do dispositivo de IoT, na borda da placa de circuito impresso (PCI) e o mais longe possível de outros componentes que possam gerar interferência eletromagnética (EMI) durante a operação. Os componentes de casamento de impedância são uma exceção, pois estão próximos à antena por necessidade. As ilhas e as trilhas da PCI que conectam a antena ao restante do circuito devem ser os únicos condutores de cobre em uma área de folga definida (Figura 3).

Figura 3: Uma antena montada em uma PCI deve ser colocada perto da borda da PCI. A antena também deve ser colocada longe de outros componentes (exceto aqueles usados para o circuito de casamento de impedância), incorporando uma área de folga. (Fonte da imagem: Amphenol)

(Para obter mais detalhes sobre as diretrizes de projeto de antenas, consulte "Como usar antenas embutidas multibanda para economizar espaço, complexidade e custo em projetos de IoT".)

Tipos de antena

A especificação da antena é uma parte essencial do processo de projeto de dispositivos IoT. A antena deve ser otimizada para a banda de RF da interface sem fio de destino, por exemplo, NB-IoT para várias bandas entre 450 megahertz (MHz) e 2200 MHz, LoRa para 902 a 928 MHz na América do Norte, Wi-Fi para 2,4 gigahertz (GHz) e 5 GHz e Bluetooth LE para 2,4 GHz.

As antenas empregam diferentes conceitos elétricos. Alguns exemplos são: monopolo, dipolo, loop, antena F invertida (IFA) e antena F invertida planar (PIFA). Cada uma se adapta a uma aplicação específica.

Há também antenas de extremidade simples e diferenciais. As antenas do tipo simples são desbalanceadas, enquanto as antenas diferenciais são balanceadas. As antenas de extremidade simples recebem ou transmitem um sinal referenciado ao terra, e a impedância de entrada característica é normalmente de 50 Ω. No entanto, como muitos CIs de RF têm portas de RF diferenciais, uma rede de transformação geralmente é necessária se uma antena de extremidade simples for empregada. Essa rede de balun transforma o sinal de balanceado para não balanceado.

Uma antena diferencial transmite usando dois sinais complementares, cada um em seu próprio condutor. Como a antena é balanceada, não é necessário um balun quando a antena é usada com CIs de RF com portas de RF diferenciais.

Por fim, as antenas são fornecidas em vários fatores de forma, como PCI, chip ou patch, chicote externo e fio. A Figura 4 ilustra algumas aplicações de amostra.

Figura 4: Diferentes antenas estão disponíveis para atender a várias aplicações de IoT. (Fonte da imagem: Amphenol)

Casamento da antena com a aplicação

A aplicação e o fator de forma do produto determinam a escolha final da antena. Por exemplo, se um produto de IoT tiver restrições de espaço, uma antena de PCI pode ser incorporada diretamente ao circuito da PCI. Essas antenas são uma excelente opção para aplicações de 2,4 GHz, como sensores Bluetooth LE ou Wi-Fi em dispositivos domésticos inteligentes, incluindo iluminação, termostatos e sistemas de segurança. Elas oferecem desempenho de RF confiável em uma arquitetura de perfil baixo. Ainda assim, as antenas de PCI são difíceis de projetar. Uma alternativa é adquirir a antena de PCI de um fornecedor comercial. Em seguida, ela pode ser fixada à placa de circuito impresso usando um adesivo.

Um exemplo de antena de PCI é a antena de RF na trilha da placa de circuito impresso Wi-Fi ST0224-10-401-A da Amphenol. A antena oferece um padrão de radiação omnidirecional nas bandas de 2,4 a 2,5 GHz e 5,15 a 5,85 GHz. A antena mede 30 x 10 x 0,2 milímetros (mm) e tem uma impedância de 50 Ω. Sua RL é inferior a -10 decibéis (dB) para ambas as faixas de frequência, e seu ganho de pico é de 2,1 dB em relação ao isotrópico (dBi) na banda de 2,4 GHz e 3,1 dBi na banda de 5 GHz. Seu rendimento é de 77 e 71%, respectivamente (Figura 5).

Figura 5: A antena na trilha da placa de circuito impresso Wi-Fi ST0224-10-401-A é eficiente nas bandas de 2,4 e 5 GHz. (Fonte da imagem: Amphenol)

Outra opção para produtos de IoT com restrições de espaço é uma antena de chip. Equipamentos automatizados podem montar diretamente esse componente compacto em uma placa de circuito impresso. A antena é adequada para aplicações de IoT sem fio baseadas em Bluetooth LE ou Wi-Fi. As principais vantagens de uma antena de chip são a economia de espaço, a redução dos custos de fabricação e um processo de projeto simplificado.

Conforme descrito acima, o desempenho de uma antena de chip é influenciado por fatores como o layout da placa de circuito impresso e os componentes adjacentes, mas os avanços na tecnologia de antenas resultaram em dispositivos altamente eficientes. As antenas de chip são adequadas para várias aplicações, desde smartphones e tablets até sistemas domésticos inteligentes e sensores industriais.

Um exemplo é a ST0147-00-011-A da Amphenol, uma antena de chip de montagem em superfície para placas de circuito impresso de 2,4 GHz. A antena oferece um padrão de radiação omnidirecional na banda de frequência de 2,4 a 2,5 GHz (Figura 6). A antena mede 3,05 x 1,6 x 0,55 mm e tem uma impedância de 50 Ω. Sua RL é menor que -7 dB, seu ganho de pico é de 3,7 dBi e seu rendimento médio é de 80%.

Figura 6: A antena de chip de montagem em superfície ST0147-00-011-A é compacta e apresenta um padrão de radiação omnidirecional no plano XY. (Fonte da imagem: Amphenol)

Assim como as antenas de placa de circuito impresso, as antenas de patch são compactas e podem ser conectadas diretamente à placa de circuito impresso. Uma aplicação típica é uma antena para um rastreador de ativos ou outros dispositivos com capacidade de Sistema Global de Navegação por Satélite (GNSS). As antenas de patch GNSS são compostas por um elemento de patch em um substrato dielétrico. O alto rendimento garante que a antena capte sinais GNSS fracos de vários satélites.

Um exemplo é a antena passiva de patch GNSS ST0543-00-N04-U da Amphenol para operação nas bandas de frequência de 1,575 e 1,602 GHz. A antena mede 18 x 18 x 4 mm e tem uma impedância de 50 Ω. Sua RL é menor que -10 dB para ambas as faixas de frequência, e seu ganho de pico é de -0,5 dBi na banda de 1,575 GHz e 1,0 dBi na banda de 1,602 GHz. Seu rendimento é de 80 e 82%, respectivamente.

As antenas de chicote externas, como a antena em um ponto de acesso Wi-Fi, são montadas fora dos dispositivos de IoT para otimizar a operação do rádio. Uma antena externa tipo chicote amplia o alcance do sinal, melhora a qualidade do sinal e supera obstáculos ou interferências. São úteis em ambientes com sinais fracos ou obstruídos, como os atenuados por paredes, tetos e móveis da casa. Estão disponíveis designs de chicote reto e giratório, cada uma com conexões de interface de RF padrão, como SMA, RP-SMA e tipo N.

Um exemplo é a antena de bastão de RF SMA de 2,4 e 5 GHz da Amphenol, ST0226-30-002-A. A antena é uma boa solução para APs Wi-Fi e decodificadores de TV (STBs). Oferece um padrão de radiação omnidirecional nas bandas de frequência de 2,4 a 2,5 GHz e de 5,15 a 5,85 GHz. A antena mede 88 x 7,9 mm de diâmetro e tem uma impedância de 50 Ω. Sua RL é menor que -10 dB para ambas as faixas de frequência, e seu ganho de pico é de 3,0 dBi na banda de 2,4 GHz e 3,4 dBi na banda de 5 GHz. Seu rendimento é de 86 e 75%, respectivamente. A antena está disponível com um conector de plugue SMA ou RP-SMA (Figura 7).

Figura 7: A antena externa tipo chicote ST0226-30-002-A para APs Wi-Fi está disponível com um conector de plugue SMA ou RP-SMA. (Fonte da imagem: Amphenol)

As antenas de fio helicoidal são uma opção barata e simples para aplicações abaixo de GHz, como dispositivos IoT LoRa que operam na banda de frequência de 868 MHz. Em geral, as antenas são soldadas diretamente na placa de circuito impresso e oferecem bom desempenho. Algumas desvantagens são o volume, principalmente ao operar em baixas frequências, e o rendimento relativamente baixo em comparação com algumas opções de antena.

Um exemplo é a antena de RF de 862 MHz ST0686-10-N01-U da Amphenol (Figura 8). Essa antena de fio helicoidal opera na banda de frequência de 862 a 874 MHz e tem uma impedância de 50 Ω. A antena apresenta montagem de solda através de furo passante com uma altura máxima de 38,8 mm. Possui uma RL menor que -9,5 dB, um ganho de pico de 2,5 dBi e um rendimento médio de 58%.

Figura 8: A antena de fio helicoidal ST0686-10-N01-U é uma boa opção para aplicações de IoT LoRa. (Fonte da imagem: Amphenol)

Conclusão

O desempenho de rádio do dispositivo IoT sem fio depende da seleção da antena, portanto, os projetistas devem escolher cuidadosamente entre uma ampla variedade de designs de antena de fornecedores, como a Amphenol, para melhor atender à aplicação. As fichas técnicas são essenciais durante a seleção, mas seguir as diretrizes estabelecidas de projeto garante o melhor desempenho sem fio.