Hola, soy Dustin Morris. Soy un ingeniero de antenas de RF en DGI Wireless Design Services, y voy a hablar con usted hoy sobre algunos fundamentos de la antena y algunos parámetros clave de la antena para empezar en su próxima integración de la antena fuera de la plataforma o el diseño de la antena personalizada.
Así que, empezando por la longitud de onda, que se define como la velocidad de la luz sobre la frecuencia. Podemos ver que a medida que la frecuencia aumenta, la longitud de onda disminuye. Tengo un par de ejemplos aquí, digamos que a 3 gigahercios, su longitud de onda es de 10 centímetros, y a 900 megahercios, su longitud de onda es de 33 centímetros. Así que, 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, normalmente un cuarto de onda o más. Por lo tanto, es necesario diseñar un espacio suficiente alrededor de la antena y una longitud de plano de tierra que sea lo suficientemente larga para permitir una antena eficiente.
La frecuencia tiene un impacto directo 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 es por eso que hay métricas que definen lo bien que las antenas coinciden con los 50 ohmios. Hay una relación de onda estacionaria de voltaje, VSWR, y la pérdida de retorno. Ahora, VSWR debe ser menos de dos, y la pérdida de retorno debe ser menos de 10dB, y eso se correlaciona con un 90% de 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 usted mira la hoja de datos de la antena y las directrices, le van a decir qué tipo de componentes que son típicamente inductores y condensadores que va a poner entre la antena y la radio. Y quieres ponerlos lo más cerca posible de la antena. Y esto va a maximizar la transferencia de energía de su radio a su antena. La eficiencia de la antena es, con mucho, el parámetro más importante de la antena para estos pequeños dispositivos inalámbricos embebidos, y se define como la potencia radiada sobre la entrada de potencia a la antena. Básicamente, cuanto mayor sea la eficiencia de la antena, mejor será la antena.
Piensa en más barras en tu teléfono móvil. Este es un parámetro realmente clave que debes buscar en estas hojas de datos. Si la hoja de datos no menciona la eficiencia de la antena, busca 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 del plano de tierra de tu dispositivo. Si tu plano de tierra es mucho más pequeño que la placa de evaluación de la antena, vas a ver que este número baja 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 extiende por igual sobre toda la distancia o todos los ángulos de la antena. Y puedes tener antenas de alta directividad que concentran la energía en un solo haz, así que piensa en una antena parabólica. La ganancia se define como la eficiencia por la directividad.
La ganancia siempre va a ser menor que la directividad. Como mencionamos aquí, la eficiencia, y estábamos apuntando al 50%, probablemente no vas a llegar a ningún lugar cerca del 100%, pero realmente depende del diseño de la antena. Así que, por ejemplo, digamos que su antena parabólica tiene una directividad de 40 dbi y la ganancia probablemente va a estar en algún lugar entre 38, 39 dbi. ¿Correcto? Va a haber algunas pérdidas aquí. Vas a tener pérdidas en el conductor. Va a tener pérdidas dieléctricas y luego, por supuesto, vamos a tener nuestras pérdidas de desajuste, y no se olvide que va a tener pérdidas en la red 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 eso 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 de 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 son sólo utilizables en un rango de frecuencia finito, y ese rango de frecuencia es el ancho de banda de la antena. Por lo tanto, vas a tener un ancho de banda de impedancia, vas a tener un ancho de banda de eficiencia, vas 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 antena aquí, y hay muchos más parámetros de antena, pero, ya sabes, estos son los parámetros de antena clave para el diseño de pequeñas antenas inalámbricas integradas. Y espero que esta breve charla te ayude con tu próxima selección de antenas o que te ayude a diseñar tu próxima antena personalizada.