Cómo elegir la antena adecuada para su aplicación IoT

Hay antenas de muchas formas y tamaños, para muchos usos diferentes. Algunas se conectan externamente al producto para que funcione correctamente, mientras que otras deben diseñarse en el dispositivo final para que sean invisibles y funcionales. Por ejemplo, si se trata de un dispositivo encerrado en una caja metálica, como un router, la antena se conectará externamente. Sin embargo, si se trata de un dispositivo móvil o un wearable, es probable que quiera una antena más pequeña que esté integrada en el diseño interno. Los tipos de antenas para estas diferentes aplicaciones varían no sólo por su tamaño y colocación, sino también por sus propiedades y funcionalidad.

En esta entrada, hemos ofrecido una visión general de los tipos de antena más frecuentes y sus aplicaciones comunes IoT . Tenga en cuenta que la mayoría de las categorías de antenas tienen varios subtipos. Además, el tema de las antenas puede entrar rápidamente en detalles técnicos profundos y fórmulas matemáticas, lo que está fuera del alcance de este artículo. Si necesita más ayuda con la selección de su antena, nuestro Servicios de diseño inalámbrico equipo puede ayudar.
 

Temas de este blog

1. Antenas dipolo
2. Antenas monopolo
3. Antenas de bucle
4. Antenas helicoidales
5. Antenas de parche
6. Antenas de ranura

1) Antenas dipolo

Las antenas dipolo son omnidireccionales, lo que significa que irradian señales en todas las direcciones en al menos un plano. Suelen ser grandes, ya que son estructuras de media longitud de onda. En el caso de las antenas de telefonía móvil, su longitud es de unos 15 centímetros. Estas antenas se utilizan casi siempre en el exterior, por ejemplo en dispositivos de caja metálica como routers y gateways. Pueden ser enviadas con el dispositivo o pueden tener que ser pedidas por separado.
 

Propiedades de las antenas dipolo

Las antenas dipolo son antenas muy eficientes con un rendimiento constante, un patrón de radiación omnidireccional y una polarización fiable. Una antena dipolo tiene un diagrama de radiación que no depende del tamaño de la caja o del plano de tierra. Esto se consigue porque el dipolo tiene corrientes equilibradas en ambos brazos de la antena, lo que hace que fluya poca corriente en el plano de tierra o en el chasis. El diagrama de radiación tiene el aspecto de un donut en el que la mayor parte de la energía se emite desde el lado ancho de la antena. La antena se aísla de la caja metálica (chasis), que actúa como plano de tierra.
 

Aplicaciones habituales de las antenas dipolo

Utilice una antena dipolo cuando necesite hablar en todas las direcciones (omnidireccional) y no conozca la ubicación del enlace receptor. Entre las aplicaciones más comunes de las antenas dipolo se encuentran las aplicaciones celulares y Wi-Fi; existen diferentes modelos de dipolo para cada uno de estos tipos de comunicación. (Los dipolos tienen un ancho de banda limitado, por lo que se requieren diferentes longitudes para las diferentes bandas de frecuencia).

La antena dipolo funcionará bien para una antena externa montada en un recinto metálico, independientemente del tamaño del recinto. Los recintos metálicos son muy comunes en las aplicaciones industriales en entornos difíciles y las antenas externas son casi una certeza bajo estas restricciones. Además, debido a su alta eficiencia y a su patrón de radiación consistente, los laboratorios suelen utilizar los dipolos como antenas de referencia para calibrar los sistemas de medición de antenas.

(2) Antenas monopolo

Las antenas monopolo son pequeñas antenas omnidireccionales de un cuarto de longitud de onda. Suelen instalarse internamente en un dispositivo, pero también pueden ser externas.
 

Propiedades de las antenas monopolo

Las antenas monopolo son como las dipolo, pero con un solo brazo de antena de un cuarto de longitud de onda. La antena monopolo utiliza un plano de tierra como la otra mitad del dipolo, y por lo tanto puede hacerse más pequeña que el dipolo y es más fácil de implementar. Es importante tener en cuenta que, con un monopolo, el diagrama de radiación depende de la longitud del cable y del tamaño del recinto metálico (antena externa) o del tamaño del plano de tierra.

Hay desviaciones del monopolo; la más notable es la antena F invertida (IFA), que suele ser una traza grabada en una placa de circuito impreso. La IFA se creó para reducir el tamaño de la antena y seguir manteniendo una impedancia de 50 O en un pequeño ancho de banda. Una variante de la IFA (también derivada de la antena de parche) es una PIFA, que es una IFA planar. La PIFA es normalmente una estructura 3D (no grabada en una PCB) y tiene secciones conductoras más anchas que la IFA. Como la PIFA utiliza conductores más anchos y ocupa más volumen que la IFA, suele tener mayor eficiencia y ancho de banda.
 

Aplicaciones habituales de las antenas monopolo

Utilice las antenas de látigo monopolo cuando necesite una antena externa de banda estrecha y barata y no pueda utilizar una antena dipolo debido al tamaño de la misma. Una solución más elegante es la PIFA, que puede hacerse mucho más corta que la monopolar y más robusta mecánicamente, aunque a costa de un patrón de radiación omnidireccional distorsionado. Los teléfonos móviles son la aplicación más común de los PIFA. La PIFA es fácil de fabricar y ofrece una buena eficiencia y ancho de banda en un formato pequeño. Los wearables suelen utilizar también un IFA o un PIFA. Los dispositivos inalámbricos integrados suelen utilizar IFAs grabados en la placa de circuito impreso debido a su bajo coste.

3) Antenas de bucle

Las antenas de bucle pequeñas son omnidireccionales, pero a medida que el bucle se hace más grande (el diámetro se acerca a una longitud de onda), se convierte en bidireccional. Las antenas de bucle siempre serán más grandes que las antenas monopolo o dipolo para conseguir la misma eficiencia de radiación, por lo que no son tan habituales en los dispositivos inalámbricos integrados.
 

Propiedades de las antenas de bucle

Las antenas de bucle tienen campos cercanos magnéticos dominantes, lo que significa que están menos influenciadas por los conductores eléctricos, como una placa metálica o incluso el agua salada, que tienen más influencia sobre los campos eléctricos que los magnéticos. Esto las hace especialmente útiles para los wearables, ya que los humanos tienen propiedades magnéticas muy limitadas. Tenga en cuenta que estas propiedades se refieren al rendimiento en campo cercano; en campo lejano todas las antenas hacen lo mismo, pero en campo cercano el dispositivo depende más del tipo de antena.
 

Aplicaciones habituales de las antenas de cuadro

Los wearables, como los rastreadores de ejercicio y los dispositivos implantables, son aplicaciones comunes para las antenas de bucle. Por ejemplo, una antena implantada cerca del corazón tendría mucha más degradación de rendimiento con una antena de campo cercano eléctrico, como una antena monopolo o dipolo, que con una antena de bucle de campo cercano magnético.

4) Antenas helicoidales

Las antenas helicoidales son esencialmente antenas monopolo muy pequeñas que se enrollan en forma de hélice. Imagina que tomas un trozo de cable conductor que va en línea recta y lo enrollas alrededor de una bobina para reducir su altura total. La longitud total es muy similar a la de una antena monopolo estándar.
 

Propiedades de las antenas helicoidales

Las antenas helicoidales tienen un diagrama de radiación omnidireccional como una antena monopolo. El bobinado en forma helicoidal permite colocar estas largas antenas en espacios reducidos. Como son mucho más pequeñas que un monopolo, se renuncia a un poco de eficiencia y ancho de banda para que la antena se reduzca considerablemente.
 

Aplicaciones habituales de las antenas helicoidales

Las antenas helicoidales son muy compactas, lo que las hace útiles para los equipos de comunicaciones portátiles. Se suelen utilizar para equipos que operan en bandas de frecuencias bajas, como las de HF, VHF y UHF. Por ejemplo, una antena monopolo de 433 MHz tendría unos 7 de longitud; como muchos dispositivos son mucho más pequeños que esto, se utiliza una antena helicoidal para conseguir una buena eficiencia de antena y una impedancia cercana a los 50 O en un factor de forma pequeño.

5) Antenas de parche

Las antenas de parche son direccionales, lo que significa que su aplicación debe tener comunicaciones en línea de visión entre los dispositivos para obtener el mejor rendimiento: El dispositivo A sólo hablará con el dispositivo B y siempre estarán orientados de forma que la antena de parche de los dispositivos esté frente a frente. Como sabemos dónde estarán siempre los dispositivos, no es necesario que haya radiación omnidireccional.
 

Propiedades de las antenas de parche

Las antenas de parche son antenas ligeras de muy bajo perfil y fáciles de fabricar. La resonancia natural de un parche es de media longitud de onda (como un dipolo), pero el tamaño del parche suele reducirse considerablemente con el uso de dieléctricos. Debido al pequeño tamaño del parche cargado de dieléctricos y al limitado volumen que conlleva, el parche es de banda muy estrecha. Las antenas de parche también se denominan a veces "antenas microstrip" y pueden grabarse directamente en una placa de circuito impreso.

Aplicaciones habituales de las antenas de parche

Las antenas de parche son muy útiles cuando se dispone de un trayecto directo en la línea de visión (los) entre el transmisor y el receptor, y el ancho de banda requerido es mínimo (tasas de datos bajas). Las comunicaciones GPS son un ejemplo, ya que hacen uso de satélites, y se sabe que siempre están situados en el cielo y utilizan una tasa de datos muy baja. El parche es ideal para el seguimiento de vehículos, ya que es de bajo perfil y barato, y al colocarlo en el capó o en la parte superior de un vehículo, toda la energía se concentra donde realmente se necesita.

6) Antenas de ranura

Las antenas de ranura suelen estar formadas por una placa metálica o PCB con ranuras recortadas. Las ranuras irradian de forma similar a las antenas dipolo y tienen media longitud de onda, pero tienen la polarización opuesta a la del dipolo. Son antenas muy eficientes y tienen un patrón de radiación bidireccional. Es fácil conseguir un diagrama de radiación unidireccional encerrando un extremo de la ranura con una caja metálica.
 

Propiedades de las antenas de ranura

La ranura tiene un diseño sencillo y un perfil extremadamente bajo que la hacen muy versátil. Las antenas de ranura se crearon originalmente con fines de radiodifusión televisiva. El diagrama de radiación de la antena viene determinado por el tamaño de las ranuras, su forma y la frecuencia de transmisión.
 

Aplicaciones habituales de las antenas de ranura

Las antenas de ranura son muy útiles para recintos metálicos en los que no se puede utilizar una antena externa. Entre las aplicaciones más comunes se encuentran los sistemas de navegación de los buques y aviones de la Armada, donde las antenas externas corren riesgo ambiental.
 

Conclusión:

La antena depende mucho del tamaño del dispositivo y del tamaño tolerable de la antena; y esto se reduce a la física y a las limitaciones prácticas. Para garantizar un buen rendimiento inalámbrico, elija el tipo de antena y el tamaño total del dispositivo de forma adecuada para la aplicación en cuestión.
 

¿Sabía que? El equipo de Servicios de Diseño Inalámbrico de Digi puede ayudarle con el diseño de su antena. Consulte la página de diseño de antenas WDS.