Internet de las cosas (IoT) ha influido en la vida y el trabajo de casi todo el mundo en los últimos tiempos. Para algunos, su interacción con IoT es tan simple como usar un reloj inteligente para realizar un seguimiento de sus hábitos alimentarios o de ejercicio. También pueden aprovechar el medidor inteligente de la empresa de servicios públicos para ahorrar energía y mantener las facturas bajo control. Estos compromisos subrayan la importancia de la selección de antenas e inalámbricas en las aplicaciones de IoT.

En el otro extremo, es posible conectarlo todo, incluidos los electrodomésticos, la iluminación, la calefacción, las cerraduras y la seguridad de las puertas y los paneles solares, controlado y gestionado a través de un asistente digital doméstico.

Fuera de los entornos domésticos, los casos de uso industriales y comerciales suelen ser más diversos. Estos tienen como objetivo automatizar los sistemas de construcción para mejorar la eficiencia y reducir la huella de carbono. También implican recopilar grandes cantidades de datos para mejorar el control de procesos, la planificación empresarial, la gestión de activos, el mantenimiento de equipos y más. Estos datos ayudan a mejorar la gestión de la energía y los residuos e incluso la conceptualización y el diseño de nuevos productos.

Últimos protocolos inalámbricos

Las tecnologías inalámbricas ofrecen varias ventajas inherentes para conectar dispositivos IoT. La flexibilidad se destaca como una ventaja clave, ya que permite la implementación de dispositivos en varias ubicaciones, sin restricciones por cableado físico. Instalar cables nuevos en el hogar, la oficina o la fábrica puede resultar perjudicial. La selección de antenas e inalámbricos suele ser rentable, especialmente para implementaciones de IoT a gran escala, y permite una escalabilidad fácil y económica.

La movilidad es otra ventaja, que ofrece un poderoso factor habilitante en aplicaciones como dispositivos portátiles y seguimiento de activos. Además, la eficiencia energética de las tecnologías inalámbricas puede ser importante en los dispositivos IoT que funcionan con baterías.

Selecciones inalámbricas

Las tecnologías inalámbricas estandarizadas comúnmente utilizadas en aplicaciones de IoT incluyen NFC, que es ideal para intercambios de datos de corta duración a distancias de un par de centímetros. La energía contenida en el campo de RF emitido por un dispositivo lector NFC puede ser suficiente para alimentar los circuitos del receptor para recuperar y transmitir datos memorizados según lo solicitado.

La conectividad Bluetooth ofrece movilidad y permite flexibilidad para diseñar la velocidad de datos, el alcance y el consumo de energía para cumplir con los requisitos de una aplicación determinada. Permite conexiones punto a punto y de malla y las últimas versiones también admiten radiogoniometría y detección de ubicación. Concebido desde el principio para la creación de redes en malla, Zigbee tiene características similares.

Los usuarios pueden preferir Wi-Fi en los casos en que se necesita un mayor alcance, mayores velocidades de datos o mayores capacidades de conexión. Varias generaciones de Wi-Fi permanecen en servicio, hasta Wi-Fi 6, que tiene una velocidad de datos máxima teórica de 9.6 Gbps. Wi-Fi 6 también presenta técnicas y asignación de canales flexibles para reducir las interferencias y los tiempos de espera para conectarse a la red. Además, su formación de haces puede mejorar la eficiencia de la transmisión de datos y mejorar la seguridad WPA3.

In Aplicaciones de IoT que necesitan mayor alcance y mayor movilidad, las opciones incluyen celular y de bajo consumo Tecnologías de redes de área amplia (LPWAN) como LoRa y Sigfox. A medida que las redes heredadas se apagan, las conexiones de datos 2.5G y 3G más antiguas dan paso a estándares como LTE-M y NB-IoT que utilizan las últimas redes LTE y 5G. Están optimizados para satisfacer las necesidades de las aplicaciones de IoT, que normalmente requieren intercambios frecuentes que comprenden pequeñas cantidades de datos.

Dispositivos como los rastreadores de activos pueden depender de constelaciones de navegación por satélite (genéricamente denominadas sistemas globales de navegación por satélite o GNSS). Los ejemplos incluyen GPS, Galileo, GLONASS y BeiDou. Los receptores de constelaciones múltiples pueden beneficiarse de una disponibilidad de datos de ubicación más robusta y sólida.

Algunos receptores pueden ofrecer acceso a servicios especiales de alta precisión proporcionados por operadores de satélites. Un rastreador puede calcular la ubicación utilizando el subsistema GNSS integrado y compartir esta información con la aplicación IoT host a través de una conexión inalámbrica como LPWAN o celular.

Selección inalámbrica y de antena

Esencialmente, una antena transfiere señales entre los dominios electromagnético y eléctrico, aprovechando la resonancia en la frecuencia portadora de RF. Esto requiere que la longitud efectiva de la antena sea una fracción específica de la longitud de onda de la señal portadora.

Por lo tanto, el tamaño es importante al considerar la selección de antenas e inalámbricas. El tamaño está directamente relacionado con la banda de frecuencia en la que opera la antena. Esto depende de la tecnología inalámbrica elegida y de la frecuencia operativa asociada.

Además, el embalaje de la antena es un tema crítico que afecta la selección de componentes. Los dispositivos de IoT pueden estar sujetos a estrictas limitaciones de tamaño. Esto exige que las antenas sean pequeñas y al mismo tiempo ofrezcan un alto rendimiento. A menudo se requiere sellado, particularmente en elementos como sensores remotos y medidores inteligentes, que pueden estar expuestos a condiciones duras y se espera que permanezcan en servicio durante períodos prolongados.

Un portafolio que ofrece una variedad de antenas montadas en PCB, montadas internamente y externas, optimizadas para bandas de frecuencia específicas y tecnologías inalámbricas utilizadas a menudo en aplicaciones de IoT, puede ayudar a los diseñadores a elegir el mejor tipo para su aplicación. Estas carteras ofrecen diferentes tipos y tamaños, opciones como conexiones soldadas o coaxiales y piezas optimizadas para tecnologías específicas como antenas NFC y GNSS.

Antenas NFC

Varios factores influyen en la selección de la antena y la conexión inalámbrica para aplicaciones NFC. NFC funciona a 13.56 MHz, por lo que la antena debe diseñarse para resonar en esta frecuencia específica para garantizar una comunicación óptima. Las antenas de alambre bobinado y las antenas de cuadro suelen estar disponibles como componentes disponibles en el mercado.

Si bien la longitud efectiva de la antena está relacionada con la frecuencia de operación, las antenas NFC también desempeñan un papel en la recolección de energía del campo de RF emitido por los dispositivos de lectura para alimentar el microcontrolador integrado del dispositivo IoT, la memoria y el hardware adicional que puede incluir un IC de seguridad. Recabar y transmitir los datos solicitados por el lector.

La selección final puede depender de variables como el factor de forma del dispositivo y el rango de lectura deseado. Normalmente, las antenas más pequeñas son compactas pero ofrecen rangos de lectura más cortos, mientras que las antenas más grandes brindan rangos de lectura más largos. El espacio disponible dentro del dispositivo o aplicación determinará el tamaño de la antena.

Generalmente, algunas antenas NFC pueden ser más sensibles a la orientación que otras, lo que puede requerir especial cuidado al seleccionar un modelo específico y determinar su posición óptima en el dispositivo. Puede estar integrado en la placa de circuito o fijado al gabinete.

Los objetos metálicos, las interferencias eléctricas y otros factores ambientales pueden afectar el rendimiento de la antena. Puede ser necesario un blindaje o una colocación adecuada. La adaptación adecuada de impedancia entre el chip/módulo NFC y la antena es esencial para maximizar la transferencia de energía y minimizar la pérdida de señal.

Antenas para tecnologías de uso común

Para tecnologías inalámbricas como Bluetooth y Wi-Fi que funcionan a 2.4 GHz, así como tecnologías celulares y LPWAN, existe una amplia selección de antenas internas y externas de montaje en PCB. La elección depende de factores como el factor de forma del dispositivo, las limitaciones de tamaño y el rango de comunicación deseado.

Hay antenas del tamaño de un chip disponibles para aplicaciones Bluetooth y Wi-Fi 2/3/4 en las bandas de frecuencia de 2.4 GHz para aplicaciones industriales, científicas y médicas (conocidas como bandas ISM).

Las antenas externas tienden a ser de diseño monopolo o dipolo. Un tipo monopolo consta de un solo cable que requiere un plano de tierra para reflejar las ondas de radio y ayudar a dar forma al 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, normalmente más largas que un monopolo, aunque la ganancia suele ser mayor y el patrón de radiación es bidireccional. La ganancia de la antena afecta directamente el alcance y la cobertura del dispositivo. Las antenas con mayor ganancia pueden proporcionar un rango de comunicación más largo.

Muchos optan por la conectividad celular para dispositivos pequeños como rastreadores montados en activos móviles como automóviles, camionetas o vehículos de construcción. En estas aplicaciones, una antena interna puede ser apropiada para permitir una instalación menos molesta o para mantener las piezas frágiles fuera de peligro. Por otro lado, una antena externa más grande puede ser adecuada para un dispositivo como una puerta de enlace diseñada para dirigir datos desde múltiples puntos finales de IoT a la nube a través de una conexión celular.

Antenas GNSS

Las antenas GNSS vienen en varios estilos, como las antenas de parche cerámico. Como tipo, tienen polarización circular que garantiza una alta sensibilidad a las señales de satélite. Al diseñar equipos como dispositivos de seguimiento de activos con ubicaciones satelitales, los diseñadores deben asegurarse de que la antena elegida admita las constelaciones relevantes.

Conclusión

El tamaño y el embalaje son cuestiones críticas a considerar al elegir una antena para una aplicación de IoT. Las antenas externas grandes tienden a ofrecer el rendimiento de RF más favorable. Por otro lado, a menudo se prefiere el montaje interno para resistir los desafíos ambientales y permitir un uso y portabilidad más fáciles, mientras que las antenas de montaje en superficie pueden ofrecer una solución cuando las limitaciones de tamaño son extremas. La elección es la amiga del diseñador en la búsqueda de la mejor combinación de propiedades eléctricas y físicas.

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• Fuente: https://www.iotforall.com/antenna-design-priorities-in-iot-applications