Hola, soy Dustin Morris. Soy un ingeniero de antenas de RF en DGI Wireless Design Services, y hoy voy a hablar con usted acerca de algunos fundamentos de la antena y algunos parámetros clave de la antena para ayudarle a empezar en su próxima integración de la antena fuera de la plataforma o el diseño de antenas personalizadas.
Empezando por la longitud de onda, que se define como la velocidad de la luz sobre la frecuencia. Podemos ver que a medida que aumenta la frecuencia, la longitud de onda disminuye. Tengo un par de ejemplos aquí, por ejemplo, a 3 gigahercios, su longitud de onda es de 10 centímetros, y a 900 megahercios, su longitud de onda es de 33 centímetros. Por lo tanto, a medida que la frecuencia disminuye, la longitud de onda aumenta. ¿Por qué es importante? Bueno, para tener una antena de buen rendimiento, las dimensiones físicas de la antena van a tener que ser un factor apreciable de una longitud de onda, por lo general un cuarto de onda o más. Por lo tanto, es necesario diseñar suficiente espacio alrededor de la antena y una longitud de plano de tierra que sea lo suficientemente larga como para permitir una antena eficiente.
La frecuencia influye directamente en el tamaño del aparato y en el rendimiento de la antena. La impedancia de la antena se define como el voltaje sobre la corriente en los terminales de entrada de la antena. Ahora, la mayoría de las hojas de datos te van a decir que su antena es de 50 ohmios, lo que realmente no es el caso. Y por eso hay métricas que definen lo bien que las antenas coinciden con los 50 ohmios. Hay relación de onda estacionaria de tensión, VSWR, y la pérdida de retorno. Ahora, VSWR debe ser inferior a dos, y la pérdida de retorno debe ser inferior a menos 10 dB, y que se correlaciona con un 90% de la eficiencia de transferencia .
Sólo estamos perdiendo un 10% en nuestras reflexiones. Ahora, un punto clave de esto es que vas a necesitar una red de adaptación de impedancia entre tu antena y tu radio. Ahora, si nos fijamos en la hoja de datos de la antena y las directrices, que te van a decir qué tipo de componentes que son típicamente inductores y condensadores que vas a poner entre la antena y la radio. Y querrás ponerlos lo más cerca posible de la antena. Y esto va a maximizar la transferencia de potencia de la radio a la antena. La eficiencia de la antena es, con mucho, el parámetro de antena más importante para estos pequeños dispositivos inalámbricos integrados, y se define como la potencia radiada sobre la potencia de entrada a la antena. Básicamente, cuanto mayor sea la eficiencia de la antena, mejor será la antena.
Piensa en más barras en tu móvil. Este es un parámetro clave que hay que buscar en las hojas de datos. Si la hoja de datos no menciona la eficiencia de la antena, busque otra hoja de datos. Tu objetivo debería estar en torno al 50%, pero debes saber que esto depende en gran medida del entorno de RF y de la placa de masa de tu dispositivo. Si tu plano de tierra es mucho más pequeño que la placa de evaluación de la antena, vas a ver este número caer considerablemente. Si tienes absorbentes como baterías o tejido humano al lado de tu antena, este número va a caer considerablemente en tu implementación. La directividad se define como la capacidad de la antena para enfocar o concentrar la energía en una dirección determinada.
Tendrás antenas de baja directividad como un dipolo que tendrá este patrón de radiación omnidireccional, donde la mayor parte de la energía se distribuye por igual en toda la distancia o todos los ángulos de la antena. También hay antenas de alta directividad que concentran la energía en un único haz, como las antenas parabólicas. La ganancia se define como la eficiencia multiplicada por la directividad.
La ganancia siempre va a ser menor que la directividad. Como hemos mencionado aquí, la eficiencia y estábamos apuntando al 50%, probablemente no vas a llegar a ninguna parte cerca del 100%, pero es realmente depende del diseño de la antena. Así, por ejemplo, digamos que su antena parabólica tiene una antena de 40 dbi de directividad y la ganancia es probablemente va a estar en algún lugar entre 38, 39 dbi. ¿Verdad? Va a haber algunas pérdidas aquí. Vas a tener pérdidas conductoras. Usted va a tener pérdidas dieléctricas y luego, por supuesto, vamos a tener nuestras pérdidas de desajuste, y no se olvide que usted va a tener pérdidas en la red de coincidencia de impedancia. Ahora, para su antena omnidireccional, lo mismo. Usted tiene un dipolo con 2,2 dbi de directividad. La ganancia probablemente va a estar más cerca de 0 dbi. Y todo lo que se correlaciona con una eficiencia de la antena de alrededor del 60%, por lo que esta sigue siendo una antena de buen rendimiento a pesar de que la ganancia es 0 dbi.
Otro aspecto clave es que una antena de baja ganancia puede seguir siendo una antena de muy buen rendimiento. Ahora, todos estos parámetros sólo son utilizables en un rango de frecuencia finito, y ese rango de frecuencia es el ancho de banda de la antena. Por lo tanto, usted va a tener un ancho de banda de impedancia, usted va a tener un ancho de banda de eficiencia, usted va a tener un ancho de banda de ganancia . Así que básicamente, no puedes usar una antena GPS para Bluetooth, no puedes usar una antena WiFi para celular. Tienes que elegir la antena adecuada para tu aplicación porque todas tienen un rango de frecuencia finito en el que pueden operar. Sé que este es un breve curso intensivo sobre los fundamentos de las antenas. Sólo hay seis parámetros de la antena aquí, y hay muchos más parámetros de la antena, pero, ya sabes, estos son los parámetros clave de la antena para el diseño de antenas embebidas inalámbricas pequeñas. Y espero que esta breve charla le ayudará con su próxima selección de la antena fuera de la plataforma o empezar en su próximo diseño de la antena personalizada.