Considerações de design de antena no design de IoT

À medida que mais e mais dispositivos são conectados à Internet de maneira sem fio, os engenheiros eletrônicos são confrontados com muitos desafios, como fazer transmissores de rádio montados para apresentar o espaço do equipamento e como projetar e fabricar dispositivos com tamanhos cada vez menores. Além disso, eles estão se esforçando para atender às demandas dos clientes em produtos IoT (Internet das Coisas) compatíveis com ergonomia, acessibilidade aplicável e harmonia com o meio ambiente.


Quando os produtos de IoT são considerados, a expectativa de tamanho é uma das considerações mais importantes, além de que as propriedades e o preço do rádio também são comumente considerados. Idealmente, os engenheiros preferem componentes de IoT com tamanho pequeno, excelente desempenho de RF (radiofrequência) e preços baixos. No entanto, os componentes de IoT geralmente não contêm todas as vantagens mencionadas acima, portanto, os provedores de soluções precisam ser confrontados com desafios.


Felizmente, como a indústria eletrônica depende constantemente de uma tecnologia de processo de silício totalmente nova, os últimos anos testemunharam tamanhos cada vez menores de chips de silício. Ao integrar o MCU (unidade de controle microprogramada) e o front-end RF na estrutura do SoC (sistema no chip), o problema de espaço foi resolvido com sucesso para a implementação da IoT. No entanto, a tendência de desenvolvimento do SoC não resolveu o problema da estrutura física do transmissor de RF, ou seja, da antena. Geralmente deixamos o design da antena para os clientes ou os aconselhamos a escolher um módulo de antena fácil de usar com antena integrada. O espaço para antena é outro desafio que temos que enfrentar, pois estamos projetando pequenos dispositivos IoT. O design do espaço exige alta eficiência e capacidade de conexão sem fio confiável.

Por que SoC?

Como 21 ^st século viu o florescimento inicial da IoT, a indústria foi considerada como M2M (máquina para máquina). Os componentes que contribuem para a interconexão IoT incluem principalmente modem GPRS, cabo serial Bluetooth ou rádio Sub-G. Todos os projetos tiram proveito de dois componentes principais para a realização da conexão:MCU e modem sem fio. O espaço mínimo suficiente para a implementação das funções fundamentais da IoT é de 50 mm em todas as dimensões, o que significa que o tamanho de todos os dispositivos é apenas o de um telefone celular.


À medida que a indústria de silício se move consistentemente em direção à tecnologia que integra funções MCU e RF no espaço de um chip, os desenvolvedores começam a abraçar mais oportunidades. Agora, eles podem fazer todas as funções dos dispositivos IoT alcançadas dentro do mesmo IC/SoC. Como o MCU sem fio apresenta vantagens óbvias, o sistema de componentes da IoT começa a se converter em um MCU sem fio. Como resultado, os engenheiros podem projetar dispositivos IoT com apenas um tipo de componente e economizar espaço. Além disso, são capazes de reduzir custos devido ao baixo custo dos componentes. Como as estruturas dos dispositivos IoT modernos estão prontas para serem selecionadas, os sistemas baseados em SoC serão mais populares devido à vantagem em tamanho.


No entanto, a tendência de desenvolvimento em direção ao SoC não resolve a questão da estrutura física, ou seja, da antena.

Como organizar a antena e quanto espaço é necessário?

Deve-se admitir que a antena tem que enfrentar a complexidade em múltiplas dimensões, uma vez que tamanho e eficiência devem ser considerados. Como o custo da BOM (lista de materiais) é relativamente baixo, é comum que a antena seja projetada por meio do rastreamento de PCB para o projeto de IoT. No entanto, a antena PCB exige um requisito de tamanho notável que geralmente está na faixa de 25 mm × 15 mm, levando o volume do produto IoT a ser grande. As antenas também apresentam outra desvantagem quando aplicadas em módulos, ou seja, são muito sensíveis à dessintonização por causa do material da blindagem e precisam ser consideradas especificamente no processo de montagem do produto final para atingir o estado ideal de trabalho. No projeto SoC, como parte do projeto comum, o ajuste da antena é obtido dependendo de algum conhecimento especializado. Nos projetos, não há diferença entre a antena PCB e outra antena.


Os fabricantes de antenas há muito fornecem "antenas de chip" para simplificar o trabalho de design. Além disso, este tipo de antena apresenta vantagens em termos de tamanho. Esta categoria de antenas é fornecida principalmente pelas seguintes formas:
a. Antena desacoplada com GND. Este tipo de antena exige alcance de folga com tamanho relativamente grande. Exemplos típicos deste tipo de antena incluem antena unipolar e antena flip-F.
b. Antena acoplada com GND. Este tipo de antena só precisa fornecer um alcance de folga relativamente pequeno ou não precisa de antena.


Ambos os tipos de antenas apresentam faixa de folga ou plano de aterramento e requisitos de espaço em termos de tamanho da placa de circuito impresso. O espaço chamado pelos componentes de RF no design de IoT também deve incluir o intervalo de liberação necessário, pois nenhum componente ou traço deve ser deixado aqui, o que significa que, quando os projetistas estão estimando o tamanho do equipamento de IoT, o tamanho do PCB e o intervalo de liberação devem ser observados compatíveis com antena. Além disso, certo espaço deve ser mantido entre a antena e a borda da blindagem.


Quando os dispositivos IoT são projetados para serem do tamanho de uma célula de botão, a eficiência da antena é definitivamente prejudicada. Quando tentamos diminuir seu tamanho, a eficiência para atingir o desempenho de RF será reduzida posteriormente. O desempenho do dispositivo com menos de 10 mm em todas as dimensões não será alcançado até a frequência de 2,4 GHz. Por exemplo, conexão Bluetooth acima de 10 metros pode ser fornecida para usuários de telefones celulares, o que é aceito pela maioria.


No entanto, quando o tamanho em todas as direções se aproxima de 20 mm, a eficiência de RF aumentará drasticamente. Quando se aproxima de 40 mm, a alta eficiência de várias antenas com ajuste de aterramento alcançado subirá para o mais alto.


Isso significa que a distância de comunicação entre dois dispositivos equivalentes deve estar na faixa de 60 mm a 400 mm de acordo com o protocolo Bluetooth 4.2. Uma vez que o protocolo 15.4 (zigbee, por exemplo) é aplicado, a maior distância de comunicação dentro de um alcance visual pode chegar a 500 metros ou mais. Assim, os projetistas precisam equilibrar o tamanho e o desempenho da PCB e a eficiência da antena com base nas diferenças de aplicativos e no tamanho alvo, porque a maioria das antenas de chip considera o plano de aterramento da PCB como uma seção da configuração da antena. Além disso, a posição da antena/módulo também desempenha um papel fundamental na fase de projeto, de modo que os projetistas precisam considerar a faixa de folga para obter o aterramento ideal do módulo.