A medida que más y más dispositivos se conectan a Internet de forma inalámbrica, los ingenieros electrónicos se enfrentan a numerosos desafíos, como cómo integrar el transmisor de radio en el espacio disponible del equipo existente y cómo diseñar y fabricar dispositivos de tamaño cada vez más reducido. Además, se esfuerzan por satisfacer las demandas de los clientes en cuanto a productos de IoT (Internet de las Cosas) que sean compatibles con la ergonomía, ofrezcan una accesibilidad adecuada y estén en armonía con el entorno.
Cuando se consideran productos de IoT, la expectativa de tamaño es una de las consideraciones más importantes; además de esta, también se suelen tener en cuenta las propiedades de radio y el precio. Idealmente, los ingenieros prefieren componentes de IoT de tamaño reducido, con un excelente rendimiento RF (radiofrecuencia) y precios bajos. Sin embargo, los componentes de IoT suelen no reunir todas las ventajas mencionadas, por lo que los proveedores de soluciones deben enfrentarse a desafíos.
Afortunadamente, dado que la industria de la electrónica depende constantemente de tecnologías de proceso de silicio totalmente nuevas, en los últimos años se ha observado un tamaño cada vez menor de los chips de silicio. Al integrar la MCU (unidad de control microprogramada) y el front-end de RF en una estructura SoC (sistema en chip), el problema de espacio se ha resuelto con éxito para la implementación de IoT. Sin embargo, la tendencia de desarrollo hacia el SoC no ha resuelto el problema relacionado con la estructura física del transmisor de RF, es decir, la antena. Normalmente dejamos el diseño de la antena a los clientes o les aconsejamos que elijan un módulo de antena fácil de usar con la antena integrada. El espacio para la antena es otro desafío al que debemos enfrentarnos cuando diseñamos pequeños dispositivos IoT. El diseño del espacio exige alta eficiencia y una capacidad de conexión inalámbrica fiable.
¿Por qué SoC?
Como 21stel siglo vio el florecimiento inicial del IoT, la industria era considerada como M2M (máquina a máquina). Los componentes que contribuyen a la interconexión del IoT incluyen principalmente el módem GPRS, el cable serie Bluetooth o la radio Sub-G. Todos los diseños aprovechan dos componentes principales para lograr la conexión: el MCU y el módem inalámbrico. El espacio mínimo suficiente para la implementación de funciones fundamentales de IoT se sitúa en 50 mm en todas las dimensiones, lo que significa que el tamaño de todos los dispositivos es justo el de un teléfono móvil.
A medida que la industria del silicio avanza de forma constante hacia tecnologías que integran funciones de MCU y RF en el espacio de un solo chip, los desarrolladores empiezan a aprovechar más oportunidades. Ahora pueden implementar todas las funciones de los dispositivos IoT dentro del mismo CI/SoC. Debido a que los MCU inalámbricos presentan ventajas evidentes, el sistema de componentes para IoT comienza a transformarse hacia los MCU inalámbricos. Como resultado, los ingenieros pueden diseñar dispositivos IoT con un solo tipo de componente y ahorrar espacio. Además, pueden reducir costos gracias al bajo costo de los componentes. A medida que las estructuras de los dispositivos IoT modernos están listas para ser seleccionadas, los sistemas basados en SoC serán más populares debido a su ventaja en tamaño.
Sin embargo, la tendencia de desarrollo hacia los SoC no logra resolver el problema de la estructura física, es decir, la antena.
¿Cómo disponer la antena y cuánto espacio se requiere?
Hay que admitir que la antena tiene que enfrentarse a la complejidad en múltiples dimensiones, ya que deben considerarse tanto el tamaño como la eficiencia. Debido a que el costo de la lista de materiales (BOM, bill of material) es relativamente bajo, es común que la antena se diseñe mediante trazado en PCB para el diseño de IoT. Sin embargo, la antena en PCB exige un requisito de tamaño considerable que suele estar dentro del rango de 25 mm × 15 mm, lo que hace que el volumen del producto IoT sea grande. Las antenas también presentan otra desventaja cuando se aplican en módulos: son muy sensibles al desajuste de sintonía como resultado del material de blindaje y deben ser consideradas específicamente en el proceso de ensamblaje del producto final para alcanzar el estado de funcionamiento óptimo. En el diseño SoC, como parte del diseño habitual, la sintonización de la antena se obtiene en función de ciertos conocimientos especializados. En estos diseños, no hay diferencia entre la antena en PCB y otras antenas.
Los fabricantes de antenas han estado proporcionando durante mucho tiempo “antenas de chip” para simplificar el trabajo de diseño. Además, este tipo de antena presenta ventajas en términos de tamaño. Esta categoría de antenas se suministra principalmente de las siguientes maneras:
a. Antena desacoplada de GNDEste tipo de antena requiere un rango de despeje de tamaño relativamente grande. Ejemplos típicos de este tipo de antena incluyen la antena unipolar y la antena tipo F plegada.
b. Antena acoplada con GNDEste tipo de antena solo necesita proporcionar un rango de despeje relativamente pequeño o no necesita antena en absoluto.
Ambos tipos de antena presentan un rango de despeje o plano de tierra y requisitos de espacio en términos del tamaño de la PCB. El espacio requerido por los componentes de RF en el diseño de IoT también debe incluir el rango de despeje necesario, ya que no se debe colocar ningún componente ni pista allí, lo que significa que, cuando los diseñadores estén estimando el tamaño del equipo IoT, el tamaño de la PCB y el rango de despeje deben considerarse compatibles con la antena. Además, se debe mantener cierto espacio entre la antena y el borde del blindaje.
Cuando los dispositivos IoT se diseñan con un tamaño similar al de una pila de botón, la eficiencia de la antena se ve claramente afectada. Cuando intentamos reducir aún más su tamaño, la eficiencia necesaria para lograr el rendimiento de RF se reduce en consecuencia. El rendimiento de un dispositivo con menos de 10 mm en todas sus dimensiones no se alcanzará hasta la frecuencia de 2,4 GHz. Por ejemplo, se puede proporcionar a los usuarios de teléfonos móviles una conexión Bluetooth de más de 10 metros, lo cual es aceptado por la mayoría.
Sin embargo, cuando el tamaño en todas las direcciones se aproxima a 20 mm, la eficiencia de RF aumentará de forma drástica. Cuando se aproxima a 40 mm, la alta eficiencia de numerosas antenas con sintonización de puesta a tierra lograda alcanzará su punto máximo.
Eso significa que, a partir de entonces, la distancia de comunicación entre dos dispositivos equivalentes debe estar en el rango de 60 mm a 400 mm de acuerdo con el protocolo Bluetooth 4.2. Una vez que se aplica el protocolo 15.4 (por ejemplo, Zigbee), la mayor distancia de comunicación dentro de un rango visual puede alcanzar los 500 metros o más. Por lo tanto, los diseñadores necesitan equilibrar el tamaño de la PCB y el rendimiento y la eficiencia de la antena en función de las diferencias de aplicaciones y del tamaño objetivo, porque la mayoría de las antenas de chip consideran el plano de tierra de la PCB como una sección de la configuración de la antena. Además, la posición de la antena/módulo también desempeña un papel clave en la fase de diseño, por lo que los diseñadores deben considerar el rango de despeje para lograr una puesta a tierra óptima del módulo.
