Otimizando a integração de antenas nos dispositivos ISM LPWA

A contínua expansão da Internet das coisas (IoT) em dispositivos industriais, de consumo e médicos, além de cidades inteligentes emergentes e edifícios inteligentes, está impulsionando o rápido aumento do uso de redes sem fio de longo alcance e baixa potência (LPWA). Isso é especialmente verdade nas bandas U de radiofrequência (RF) industrial, científica e médica (ISM) de 915 MHz.S, 868 e 169 MHz na Europa, e 433 MHz na Ásia, que suportam protocolos sem fio como LoRa, Neul, SigFox, Zigbee e Z-Wave.

Os dispositivos LPWA continuam a encolher e precisam de antenas baratas e compactas com desempenho superior. Questões como o plano de terra podem ser especialmente problemáticos nas bandas ISM de 868 e 915 MHz. Eles podem ser tratados usando circuitos adicionais, maior integração de dispositivos e sintonia mais precisa da frequência, o que pode aumentar os custos e o tempo de desenvolvimento. Os projetistas precisam de antenas que minimizem as preocupações com o plano de terra. Além disso, os dispositivos LPWA são frequentemente alimentados por bateria e exigem o máximo de eficiência energética. A seleção e a integração da antena é um aspecto crítico de um projeto eficiente. Uma solução de antena menos otimizada pode reduzir a vida útil da bateria e resultar em um mau desempenho geral do sistema.

Um balanço de enlace otimizado é um dos segredos para uma interface de comunicação sem fio confiável e eficiente. A seleção e integração da antena têm um impacto significativo no balanço de enlace. Mas projetar ou selecionar uma antena eficiente e de alto desempenho que atenda tanto as preocupações com o balanço de enlace quanto com o plano de terra é um processo complexo. As especificações da antena que afetam o balanço de enlace incluem impedância, perda de retorno, relação de tensão de onda estacionária, ganho, padrão de radiação e muito mais. A identificação de antenas fáceis de integrar, compactas e de alto desempenho que minimizam os problemas do plano de terra pode reduzir significativamente o tempo de engenharia e melhorar o desempenho geral do sistema.

Este artigo descreve um modelo básico do balanço de enlace, revisa as principais especificações de antenas que têm impacto no balanço de enlace e apresenta exemplos de antenas da Molex que podem superar problemas do plano de terra e ajudar a otimizar os balanços de enlace em dispositivos LPWA.

Balanço de enlace básico

Um balanço de enlace em um sistema sem fio mede a energia RF efetiva que chega ao receptor. A equação começa com a potência transmitida em decibel-metro (dBm), adiciona quaisquer ganhos em decibéis (dB), subtrai perdas, também em dB, e chega à potência recebida em dBm. Em um projeto prático, há inúmeros contribuintes para os ganhos e perdas.

Aprofundando nos balanços de enlace

O desempenho da antena é o único fator que afeta os ganhos e perdas em um balanço de enlace. Eficiência, ganho e padrão de radiação da antena são três aspectos importantes do seu desempenho e, muitas vezes, são medidos usando uma câmara de via aérea (OTA) (Figura 1). Outros fatores que podem impactar os balanços de enlace são a perda de retorno (o parâmetro S11) e a relação de tensão de onda estacionária (VSWR).

Figura 1: Eficiência, ganho e padrão de radiação da antena são medidos usando uma câmara OTA. (DUT em imagem refere-se ao dispositivo em teste) (Fonte da imagem: Molex)

A eficiência, ou rendimento, da antena determina a emissividade de uma antena. A eficiência média é frequentemente utilizada, mas a eficiência não é um número único. É uma curva que pode ser mais ou menos plana, dependendo da antena específica a ser considerada (Figura 2). Muitas vezes, uma antena com uma curva de eficiência mais plana terá uma eficiência máxima menor do que uma antena com uma curva de eficiência com pico.

Figura 2: As curvas de eficiência de antenas podem variar muito: a antena da esquerda tem uma curva de eficiência mais plana, mas a da direita tem uma eficiência de pico cerca de 10% maior a 915 MHz. (Fonte da imagem: Molex)

Assim como a eficiência, o ganho da antena pode ser medido como um valor médio ou de pico/máximo. Em uma determinada frequência, o ganho médio é medido em todos os ângulos no espaço tridimensional, enquanto o ganho máximo é um único ponto de operação. Em geral, quanto maior o ganho médio, melhor.

O padrão de radiação de uma antena é um fator importante para determinar o ganho. Uma antena teórica que irradia a mesma energia em todas as direções é chamada de radiador isotrópico e tem um ganho de 0 dB (unidade). Antenas reais, mesmo os chamados projetos omnidirecionais, têm padrões de radiação não isotrópicos e podem ser mais ou menos direcionais conforme medidas em planos 3D (Figura 3). Uma antena com um ganho de 3 dB é duas vezes mais eficaz em uma determinada direção do que um radiador isotrópico. Ela duplica a potência do transmissor, ou a sensibilidade do receptor, nessa direção específica.

Figura 3: Os padrões de radiação diferem para vários projetos de antenas e podem ser importantes nos cálculos do balanço de enlace. Estas duas antenas são especificadas com padrões de radiação omnidirecional. (Fonte da imagem: Molex)

O projeto da antena e o ambiente ao redor afetam o padrão de radiação. As medições típicas nas fichas técnicas utilizam um ambiente de espaço livre, sem interferência ao redor. Em implementações reais, o ganho de pico será reduzido de 1 a 2 decibéis em relação ao isotrópico (dBi), uma vez que o padrão de radiação mudará devido aos componentes ao redor.

A perda de retorno (S11) e a relação de tensão da onda estacionária (VSWR) são medidas em relação à quantidade de energia refletida da antena de volta para o circuito de RF, e valores menores são melhores (Figura 4). S11 ≤ -6 dB ou VSWR ≤ 3 são frequentemente considerados como níveis mínimos de desempenho aceitável. Se S11 = 0 dB, então toda a potência é refletida, e nenhuma é irradiada. Ou, se S11 = -10 dB, quando 3 dB de potência é entregue à antena, -7 dB é a potência refletida. A antena utiliza o restante da potência.

Figura 4: A perda de retorno da antena de alta eficiência (direita) é cerca de -14 dB a 915 MHz, enquanto a perda de retorno para a antena de menor eficiência, com a curva de eficiência mais plana, é cerca de -10 dB a 915 MHz. (Fonte da imagem: Molex)

O VSWR é uma função do coeficiente de reflexão. Como a perda de retorno, um VSWR menor indica uma antena melhor. O valor mínimo de VSWR é 1,0, onde nenhuma potência é refletida a partir da antena. O casamento de impedância pode ser usado para minimizar S11 e VSWR. O casamento de impedância envolve a modificação da linha de transmissão entre a antena e o circuito de RF para melhorar a máxima transferência de energia. Um descasamento de impedância faz com que parte da potência de RF não seja aceita pela antena. Um casamento perfeito entre a impedância da linha de transmissão e a impedância da antena resulta na recepção de toda a potência de RF na antena.

Algumas antenas têm uma impedância de 50 Ω e não precisam de uma rede de casamento. A maioria das antenas requer uma rede de casamento de impedância na linha de transmissão para otimizar o desempenho da antena. As redes de casamento são geralmente obrigatórias com antenas que suportam várias bandas de frequência. Uma rede de casamento pode consistir de várias combinações de capacitores, indutores ou resistores, quando necessária.

Melhorando o desempenho da antena

Uma antena básica consiste em um condutor de um determinado comprimento, mas elementos adicionais podem ser acrescentados para melhorar o desempenho da antena. Um exemplo é a tecnologia de antenas MobliquA™ da Molex que inclui tecnologias de aprimoramento da largura de banda (Figura 5). A tecnologia MobliquA foi projetada para melhorar a faixa de frequências sobre a qual a perda de retorno é aceitável, muitas vezes chamada de "largura de banda de impedância". Esta tecnologia pode melhorar a largura de banda da impedância em 60 a 70% sem comprometer a eficiência da radiação ou aumentar o tamanho da antena. Uma antena ISM projetada para 868 MHz e 915 MHz usando a tecnologia MobliquA pode ter até 75% menos volume do que os projetos convencionais e eliminar a necessidade de circuitos caros e sintonia de frequências necessários para resolver problemas de dependência do plano de terra.

Figura 5: A tecnologia MobliquA da Molex foi projetada para melhorar a largura de banda da impedância e proporcionar um alto grau de imunidade em relação à inserção de objetos metálicos no volume da antena. (Fonte da imagem: Molex)

A tecnologia MobliquA permite o uso de peças de RF desacopladas ou aterradas, tais como uma capa de conector aterrada. Ela proporciona boa imunidade contra a inserção de peças metálicas no volume da antena. Suas técnicas únicas de alimentação combinadas com um aterramento direto dos elementos da antena fornecem uma proteção reforçada contra descarga eletrostática (ESD) para o front-end de RF.

Integração de antenas

Embora todas as especificações elétricas discutidas acima sejam aspectos importantes da integração da antena, há também a questão da conexão mecânica e da integração da antena no sistema. Há diversas possibilidades. Por exemplo, algumas antenas são projetadas para serem soldadas no sistema, e outras incluem um cabo coaxial e um conector anexado ao sistema. As duas seções seguintes apresentam algumas das especificações para cada antena omnidirecional.

Antena ISM flexível com coaxial e conector

Para aplicações que necessitam de uma antena ISM de banda dupla de 868/915 MHz, os projetistas podem recorrer ao modelo 2111400100 da Molex (Figura 6). Esta antena monopolo mede 38 x 10 x 0,1 milímetros, é feita de um material de polímero flexível e tem um cabo microcoaxial de 100 mm de comprimento com diâmetro externo de 1,13 mm e um conector U.FL que é compatível com MHF. Trata-se de um adesivo que se prenderá a qualquer superfície não metálica. Pode lidar com 2 W de potência de RF e tem uma faixa de temperatura operacional de -40 a +85 °C. Outras antenas desta série têm opções de cabos de 50, 150, 200, 250 e 300 mm de comprimento, e podem ser fabricados em comprimentos personalizados.

Figura 6: Esta antena ISM de banda dupla é flexível e é montada no sistema usando um adesivo. (Fonte da imagem: Molex)

Algumas especificações principais incluem:

• Eficiência: >55% a 868 MHz, >60% a 902 MHz
• Ganho de pico: 0,3 dBi a 868 MHz, 1,0 dBi a 902 MHz
• Padrão de radiação: omnidirecional
• Perda de retorno (S11): < -5 dB

Antena ISM de cerâmica de alta eficiência para a PCI

Quando a necessidade é de maior eficiência, os projetistas podem usar uma antena cerâmica 2081420001 que foi concebida especificamente para aplicações ISM (Figura 7). Diferentes redes de casamento podem ser usadas em duas bandas diferentes de frequência; 868-870MHz e 902-928 MHz. Dimensionada para operação desde -40 a +125 °C, mede 9 x 3 x 0,63 mm.

Figura 7: Com diferentes redes de casamento, esta antena cerâmica pode ser usada em duas bandas diferentes de frequência; 868-870MHz e 902-928 MHz. (Fonte da imagem: Molex)

Algumas especificações principais incluem:

• Eficiência: 70% a 868 MHz, 65% a 902 MHz
• Ganho de pico: 1,5 dBi a 868 MHz, 1,8 dBi a 902 MHz
• Padrão de radiação: omnidirecional
• Perda de retorno (S11): < -10 a 868 MHz, < -5 a 902 MHz

Resumo

A otimização e integração de antenas em aplicações LPWA ISM, incluindo protocolos IoT LoRa, Neul, SigFox, Zigbee e Z-Wave, é uma tarefa importante e complexa. A otimização do balanço de enlace é necessária para garantir um bom desempenho sem fio e uma longa duração da bateria. Inclui inúmeras compensações de especificações de funcionamento elétrico e o desenvolvimento de uma rede efetiva de casamento de impedância. O processo de seleção da antena também deve considerar o ambiente operacional e os requisitos mecânicos e de interconexão do dispositivo.