Mark Patrick, Mouser Electronics
En los últimos años, el Internet de las cosas (IdC) ha cambiado la vida y el trabajo de casi todo el mundo. Para algunos, la relación con el IdC se limita a cosas como el uso de un reloj inteligente para controlar lo que comen o el ejercicio que hacen, o del contador inteligente de la compañía eléctrica para ahorrar en el gasto energético. Por otro lado, ya es posible tenerlo todo conectado y controlado a través de un asistente digital para el hogar, desde los electrodomésticos y las luces hasta la calefacción, las cerraduras, la seguridad o los paneles solares.
Fuera del contexto doméstico, los casos de uso comerciales e industriales suelen ser más variados. Por ejemplo, se emplea para automatizar edificios a fin de mejorar la eficiencia y reducir el impacto en el medioambiente o para recopilar cantidades enormes de datos con el objetivo de mejorar el control de los procesos, la planificación comercial, la administración de activos, el mantenimiento de equipos, la gestión de la energía y los residuos y hasta el diseño de nuevos productos.
Protocolos inalámbricos más recientes
Por su propia naturaleza, las tecnologías inalámbricas ofrecen numerosas ventajas para la conexión de dispositivos IdC. Una de las más importantes es la flexibilidad: los dispositivos se pueden instalar en distintos lugares sin las limitaciones del cableado. Además, la colocación de nuevos cables en una vivienda, una oficina o una fábrica puede acarrear numerosos problemas. Con frecuencia, una estrategia inalámbrica resulta rentable, sobre todo cuando hablamos de instalaciones IdC a gran escala, y permite ampliar o reducir el conjunto de un modo sencillo y barato. Otra ventaja importante es la movilidad, algo imprescindible en aplicaciones como los dispositivos ponibles o el seguimiento de activos. Por otro lado, las tecnologías inalámbricas tienen un buen nivel de eficiencia energética, lo que es un factor importante en dispositivos IdC de batería.
Una de las tecnologías estandarizadas que se emplean con frecuencia en las aplicaciones IdC es la NFC, que resulta ideal para el intercambio de datos de corta duración en distancias de un par de centímetros. La energía del campo RF emitida por el lector NFC puede ser suficientemente alta como para alimentar los circuitos del dispositivo receptor a fin de obtener y transmitir los datos memorizados según sea necesario.
La conectividad Bluetooth® aporta movilidad y flexibilidad a la hora de diseñar la transmisión de datos, el rango y el consumo de potencia a fin de cumplir con los requisitos de una determinada aplicación. Permite conexiones en topología punto a punto y en malla; además, las últimas versiones también ofrecen búsqueda de dirección y detección de ubicación. Zigbee se diseñó originalmente para las redes en malla y tiene características similares. La tecnología Wi-Fi® es quizá una mejor opción para distancias más largas o niveles mayores de transmisión de datos y capacidad de conexión. Actualmente, se utilizan distintas generaciones de wifi, la última es el Wi-Fi 6, que puede lograr velocidades de hasta 9,6 Gbps. Esta generación también ofrece asignación flexible de canales, técnicas para reducir las interferencias y los tiempos de espera para la conexión a la red, formación de haz para mejorar la eficacia de la transmisión y un mayor nivel de seguridad WPA3.
En las aplicaciones IdC que precisan de un mayor rango y nivel de movilidad, se pueden emplear redes móviles y tecnologías LPWAN (red de área extensa y baja potencia), como LoRa y Sigfox. Las tecnologías más antiguas, como las conexiones de datos 2.5G o 3G, se están quedando obsoletas, y están dejando paso a estándares como el LTE-M y el NB-IoT, que utilizan las redes LTE y 5G de última generación. Se trata de métodos optimizados para satisfacer las necesidades de las aplicaciones IdC, que suelen requerir intercambios frecuentes de pequeñas cantidades de datos.
Además, algunos dispositivos, como los empleados para el seguimiento de activos, necesitan constelaciones de satélites para la navegación (conocidos en conjunto como sistemas mundiales de navegación por satélite o GNSS), como GPS, Galileo, GLONASS y BeiDou. Un nivel más fiable y sólido de disponibilidad de los datos de localización es algo muy positivo para los receptores multiconstelación. Algunos receptores ofrecen acceso a servicios especiales de alta precisión, suministrados por los operadores de satélite. Un rastreador puede calcular la ubicación con el subsistema GNSS integrado y compartir esta información con la aplicación IdC host mediante una conexión inalámbrica, como una red móvil o LPWAN.
Elección de la antena
El objetivo básico de una antena es transferir señales entre el dominio electromagnético y el eléctrico, usando para ello la resonancia en la frecuencia portadora de RF. Para lograrlo, la longitud eficaz de la antena debe ser igual a una fracción específica de la longitud de onda de la señal portadora. Por lo tanto, el tamaño es muy importante a la hora de seleccionar una antena. El tamaño está directamente relacionado con la banda de frecuencia en la que funciona la antena, lo que depende de la tecnología inalámbrica seleccionada y de la frecuencia de funcionamiento correspondiente.
Además, el encapsulado de la antena es un elemento fundamental que afectará a la selección de los componentes. Los dispositivos IdC suelen estar sujetos a importantes limitaciones de tamaño, así que es importante que las antenas sean lo más pequeñas posible sin disminuir el rendimiento deseado. El sellado suele ser indispensable, sobre todo en sensores remotos o contadores inteligentes, que suelen estar expuestos a condiciones ambientales exigentes y están diseñados para permanecer en uso durante largos periodos de tiempo.
Algo que puede ayudar a los diseñadores a escoger el mejor tipo de antena para su aplicación es disponer de una gama de modelos con montaje interno, externo y en placa de circuito impreso y que, además, estén optimizados para tecnologías inalámbricas y bandas de frecuencia especialmente útiles en aplicaciones IdC. Un ejemplo es la gama de antenas Amphenol RF, disponible en Mouser Electronics. Entre otras cosas, en esta gama encontrará distintos tipos y tamaños, conexiones soldadas o coaxiales y componentes optimizados para tecnologías específicas, como las antenas NFC y GNSS.
Antenas NFC
Hay diferentes factores importantes que se deben tener en cuenta a la hora de escoger una antena para aplicaciones NFC. La NFC funciona a 13,56 MHz, por lo que la antena debe estar diseñada para resonar a esa frecuencia específica a fin de lograr una comunicación óptima. Las antenas por cable y de cuadro suelen estar disponibles como componentes sin necesidad de hacer pedidos especiales.
La longitud eficaz de la antena está relacionada con la frecuencia de funcionamiento, pero las antenas NFC también participan en la recolección de energía del campo RF emitida por los dispositivos de lectura, una energía que se usa para alimentar componentes integrados del sistema IdC, como el microcontrolador, la memoria u otro hardware, como los CI de seguridad, a fin de obtener y transmitir los datos solicitados por el lector. El tamaño de las antenas NFC de RF Amphenol abarca desde 15 x 19 mm hasta 45 x 34 mm. La elección final dependerá de cosas como el factor de forma del dispositivo y el rango de lectura deseado. Normalmente, las antenas más pequeñas son más compactas, pero ofrecen rangos de lectura más limitados, al contrario de lo que ocurre con las antenas más grandes. El espacio disponible en el dispositivo o la aplicación determinará el tamaño de la antena.
Por lo general, algunas antenas NFC son más sensibles a la orientación que otras, un aspecto importante al elegir un modelo en concreto y determinar cuál será su ubicación óptima en el dispositivo. Puede que queramos integrarla en la placa del circuito o que vaya en la carcasa.
Los objetos metálicos, la interferencia eléctrica y otros factores ambientales también influirán en el rendimiento de la antena. Quizá necesitemos instalar algún tipo de apantallamiento. Una adaptación de impedancias adecuada entre el módulo/chip NFC y la antena es esencial para maximizar la transmisión de potencia y minimizar la pérdida de señal.
Antenas para tecnologías usadas con frecuencia
En el caso de tecnologías como Bluetooth y wifi a 2,4 GHz o de tecnologías móviles y LPWAN, hay una amplia gama de antenas para elegir, ya sean internas, externas o montadas en la placa de circuito impreso. La elección dependerá de cosas como el factor de forma, las limitaciones de espacio o el rango de comunicación deseado.
Hay antenas de tamaño microchip para aplicaciones Bluetooth y Wi-Fi 2/3/4 en las bandas de frecuencia 2,4 GHz, para aplicaciones industriales, científicas y médicas (conocidas como bandas ICM). Un ejemplo es la Amphenol RF ST0147-00-011-A. Mide 3,05 × 1,6 mm y tiene un grosor de solo 0,55 mm; se trata de una antena de cuadro con chip cerámico que puede funcionar con 2 W de potencia RF. Además de su tamaño reducido, la antena va montada en superficie, es compatible con el montaje automatizado de alta velocidad y queda totalmente confinada a la carcasa, lo que facilita el sellado y ofrece un aspecto más «limpio».
La Amphenol RF también dispone de dos antenas de chip cerámico para aplicaciones LoRa LPWAN de 433 y 915 MHz. Estas antenas de 5 × 3 × 0,5 mm y 1 W ocupan muy poco espacio en la placa de circuito impreso y tienen una ganancia máxima de 0,9, así que pueden emplearse en comunicaciones para grandes distancias con el protocolo LoRa.
Las antenas externas suelen tener un diseño dipolo o monopolo. El tipo monopolo consiste en un solo hilo con un plano de tierra para reflejar las ondas radioeléctricas y contribuir a conformar el patrón de radiación. El patrón es omnidireccional. El tipo dipolo tiene dos elementos conductores separados por un espacio. Suelen ser antenas de media longitud de onda y más largas que un monopolo, aunque su ganancia es normalmente mayor, y el patrón de radiación es bidireccional. La ganancia de la antena tiene un impacto directo en el rango y la cobertura del dispositivo. Las antenas con una mayor ganancia pueden aportar un rango más amplio de comunicación.
Los modelos ST1226-30-501 y ST1226-30-001 de Amphenol RF (imagen 1) son antenas externas multifrecuencia de 5 W para los rangos de frecuencia 2,4-2,5 GHz, 5,15-5,85 GHz y 5,925-7,125GHz, y se pueden emplear en aplicaciones wifi de hasta sexta generación. La ganancia de estas antenas monopolo va de 2,0 (para la banda 2,4 GHz) hasta 5,1 (para 5,925-7,125 GHz).
Imagen 1: antena externa Amphenol RF ST1226-30-001 (fuente: Mouser Electronics)
La tecnología móvil se emplea con frecuencia en el caso de dispositivos pequeños; un ejemplo son los rastreadores instalados en activos en movimiento, como coches, vehículos para la construcción o generadores portátiles. En estas aplicaciones, una antena interna podría ser una buena idea para que la instalación sea menos engorrosa o para proteger los componentes más frágiles. Por otro lado, una antena externa más grande podría ser perfecta para algunos dispositivos, como una puerta de enlace diseñada para dirigir datos desde distintos puntos de conexión IdC a la nube mediante una conexión móvil.
La Amphenol RF ST0425-20-401-A es un ejemplo de antena interna para aplicaciones móviles, como NB-IoT, en los rangos de frecuencia 0,69-0,96 GHz y 1,7-5,0 GHz. Tiene unas dimensiones de 90 × 15 × 0,85 mm e incluye un cable de 195 mm y un conector coaxiales para la conexión a la placa. Puede trabajar con potencias RF de 1 W y tiene un pico de ganancia de entre 2,1 y 4,2, en función de la banda de frecuencias.
Imagen 2: antena interna Amphenol RF ST0425-20-401-A (fuente: Mouser Electronics)
Antenas GNSS
Hay muchos diseños de antenas GNSS, como las antenas de parche cerámicas. Estas disponen de una polarización circular que garantiza una alta sensibilidad a las señales de los satélites. Al diseñar determinados equipos, como los dispositivos para rastrear activos con la ubicación por satélite, los diseñadores deben asegurarse de que la antena elegida sea compatible con las constelaciones correspondientes. La Amphenol RF ST0326-41-001-A es una antena de conexión SMA adecuada para aplicaciones de banda L1 GNSS típicas a 1575,42 y 1602 MHz (la banda de frecuencia primaria de la constelación rusa GLONASS). El cable y el conector contribuyen a que los ingenieros puedan colocar la antena apuntando hacia el cielo.
Conclusión
El tamaño y el encapsulado son elementos esenciales que hay que tener en cuenta al elegir una antena para una aplicación IdC. Las antenas externas más grandes son las que suelen ofrecer el mejor rendimiento RF. Por otro lado, el montaje interno ofrece mayor resistencia ante condiciones ambientales adversas y es más fácil de transportar; por último, las antenas de montaje en superficie pueden ser una buena solución cuando hay grandes limitaciones de espacio. Lo mejor que le puede pasar a un diseñador es disponer de una amplia gama de opciones donde poder elegir la mejor combinación de propiedades físicas y eléctricas.
