Otimizando Projeto de Antena para Dispositivos IoT Compactos

À medida que mais dispositivos se conectam à Internet sem fio, engenheiros eletrônicos enfrentam desafios como fazer o transmissor de rádio caber no espaço do equipamento atual e projetar/fabricar dispositivos com tamanhos cada vez menores. Além disso, buscam atender demandas dos clientes por produtos IoT (Internet das Coisas) compatíveis com ergonomia, acessibilidade e harmonia com o ambiente.

Quando produtos IoT são considerados, expectativa de tamanho é uma das considerações mais importantes, além de propriedades de rádio e preço. Idealmente, engenheiros preferem componentes IoT com tamanho pequeno, excelente desempenho RF (radiofrequência) e preços baixos. No entanto, componentes IoT geralmente não reúnem todas essas vantagens, então provedores de solução enfrentam desafios.

Felizmente, como a indústria eletrônica depende constantemente de nova tecnologia de processo de silício, anos recentes testemunharam chips de silício cada vez menores. Integrando MCU (unidade de controle microprogramado) e front-end RF em estrutura SoC (system on chip), a questão de espaço foi resolvida para implementação IoT. No entanto, a tendência de desenvolvimento para SoC não resolveu a questão da estrutura física do transmissor RF, ou seja, a antena. Geralmente deixamos o projeto de antena para clientes ou aconselhamos a escolher um módulo de antena fácil de usar com antena integrada. Espaço para antena é outro desafio no projeto de pequenos dispositivos IoT. O design de espaço exige alta eficiência e capacidade de conexão sem fio confiável.

Por que SoC?

Quando o século 21 viu o florescimento inicial de IoT, a indústria era vista como M2M (máquina a máquina). Componentes contribuindo para interconexão IoT incluem principalmente modem GPRS, cabo serial Bluetooth ou rádio Sub-G. Todos os projetos usam dois componentes principais para conexão: MCU e modem sem fio. O espaço mínimo para funções IoT fundamentais é 50 mm em todas as dimensões, ou seja, o tamanho dos dispositivos é apenas o de um celular.

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

No entanto, a tendência para SoC falha em resolver a questão da estrutura física, ou seja, a antena.

Como Organizar a Antena e Quanto Espaço é Necessário?

Deve-se admitir que a antena enfrenta complexidade em múltiplas dimensões, pois tanto tamanho quanto eficiência devem ser considerados. Como custo BOM (lista de materiais) é relativamente baixo, é comum que a antena seja projetada através de trilhas de PCB para design IoT. No entanto, antena de PCB exige requisito de tamanho notável, geralmente na faixa de 25 mm × 15 mm, tornando o volume do produto IoT grande. Antenas também têm outra desvantagem em módulos: são muito sensíveis a detuning (desserintonização) como resultado de material de blindagem e precisam ser especificamente consideradas na montagem do produto final para atingir estado ótimo. Em design SoC, como parte do design ordinário, sintonia de antena é obtida dependendo de conhecimento especializado. Nos projetos, não há diferença entre antena de PCB e outras antenas.

Fabricantes de antena há muito fornecem "chip antenna" (antena chip) para simplificar trabalho de projeto. Este tipo apresenta vantagens de tamanho. Esta categoria é fornecida principalmente das seguintes formas:

• a. Antena desacoplada do GND. Este tipo exige faixa de folga (clearance) com tamanho relativamente grande. Exemplos típicos incluem antena monopolo e antena flip-F (inverted-F).
• b. Antena acoplada ao GND. Este tipo só precisa fornecer faixa de folga relativamente pequena ou não precisa de antena.

Ambos os tipos apresentam faixa de folga ou plano de aterramento e requisito de espaço em termos de tamanho de PCB. O espaço exigido por componentes RF em design IoT também deve incluir faixa de folga necessária, pois nenhum componente ou trilha deve ficar aqui. Isso significa que, ao estimar tamanho de equipamento IoT, tamanho da PCB e faixa de folga devem ser notados compatíveis com a antena. Além disso, certo espaço deve ser mantido entre antena e borda da blindagem.

Quando dispositivos IoT são projetados com tamanho de uma bateria de botão, a eficiência da antena é definitivamente prejudicada. Ao tentar torná-la menor, a eficiência para atingir desempenho RF será reduzida. Desempenho de dispositivo com menos de 10 mm em todas as dimensões não será alcançado até na frequência de 2,4 GHz. Por exemplo, conexão Bluetooth acima de 10 metros pode ser fornecida a usuários de celular, aceita pela maioria.

No entanto, quando o tamanho em todas as direções se aproxima de 20 mm, a eficiência de RF aumentará dramaticamente. Quando se aproxima de 40 mm, a alta eficiência de numerosas antenas com aterramento sintonizado atingirá o máximo.

Isso significa que a distância de comunicação entre dois dispositivos equivalentes deve estar na faixa de 60 mm a 400 mm conforme protocolo Bluetooth 4.2. Uma vez aplicado protocolo 15.4 (Zigbee, por exemplo), a maior distância de comunicação em linha de vista pode atingir 500 metros ou mais. Assim, projetistas precisam equilibrar tamanho da PCB e desempenho/eficiência da antena baseado em diferenças de aplicações e tamanho alvo, porque a maioria das antenas chip considera o plano de terra da PCB como uma seção da configuração da antena. Além disso, posição da antena/módulo também desempenha papel chave na fase de projeto para que projetistas considerem faixa de folga para atingir aterramento ótimo do módulo.