Segunda parte del artículo sobre las necesarias consideraciones de diseño a la hora de seleccionar la antena RF adecuada. EEscrito por Matt McWhinney, director de desarrollo comercial en Molex, y cuyo amplio catálogo de antenas distribuye AVNET Abacus, continúa con el punto de partida para elegir las antenas RF necesarias en nuestros diseños.
Tras determinar la frecuencia o frecuencias y los parámetros básicos de arquitectura inalámbrica, los fabricantes de dispositivos suelen empezar el proceso de diseño seleccionando una o más antenas estándares adecuadas, que estén disponibles para cada frecuencia asignada virtualmente y las evalúan.
Según las diferentes fabricaciones y tecnologías RF, las antenas estándares proporcionan un alto rendimiento y facilidad de integración para aplicaciones inalámbricas en el mercado industrial, de consumo, médico y automovilístico, entre otros. Las antenas estándares pueden tener un buen rendimiento por un coste y riesgo menores que una solución a medida y ofrecen plazos de ejecución más cortos para lanzar productos inalámbricos al mercado.
Una vez que las antenas RF se han seleccionado, diseñado y montado en el dispositivo prototipo, deberá evaluarse, idealmente, el rendimiento de las mismas en una cámara anecoica. Si la antena no funciona, bien el diseño se modifica o bien se prueba otra antena.
Recurrir a un producto hecho a medida
Sin embargo, si una antena estándar no funciona de forma efectiva, los diseñadores pueden utilizar las competencias de diseño de los fabricantes de antenas con experiencia. El proveedor podrá adaptar una solución estándar existente proporcionando lo que necesite el diseñador del sistema. Esto consistirá en una opción más económica y rápida que tener que pasar por un nuevo proceso de diseño desde cero para una antena totalmente a medida. La adaptación de antenas existentes puede consistir en cambiar longitudes o conectores de cables de antena, hasta hacer pequeñas modificaciones al patrón de la antena para ajustarla de modo que corresponda con el rendimiento que se necesita para la aplicación.
El proceso de diseño empieza normalmente cuando el fabricante del dispositivo comparte un modelo CAD del producto propuesto con el proveedor de antenas. Se utiliza software para simular el rendimiento de la antena según las características del dispositivo, la carcasa y los metales circundantes y se miden parámetros como la pérdida de retorno y la eficiencia. Según esta información, el proveedor construye una antena prototipo para probarla y luego ajusta el diseño según sea necesario.
Por ejemplo, hubo un proyecto adaptado que incluía unas antenas RF móviles chapadas en la carcasa de plástico del dispositivo. Se crearon y evaluaron un pequeño número de prototipos y se determinó que tenían que ser algunos milímetros más cortos para compensar el efecto de la carcasa de plástico. Utilizando pinzas y un cuchillo afilado, se recortaron los brazos radiantes a la medida correspondiente con la longitud de onda de la señal que el dispositivo debía captar. El diseño de antena probada y recortada funcionó a pleno rendimiento.
Hay muchas tecnologías que se utilizan para producir antenas RF a medida; una de las más comunes requiere chapar los rastros conductivos de la antena en plástico y se llama estructuración directa por láser (LDS). La LDS se usa para hacer antenas en muchos teléfonos móviles 4G y otros dispositivos compactos que no podrían soportar ningún otro tipo de antenas internas estándares. Generalmente, se necesitan volúmenes altos para justificar el esfuerzo de usar LDS y otras tecnologías de antenas a medida.
Testar, evaluar y volver a evaluar con las antenas RF
Tras seleccionar la antena y haberla diseñado en el sistema, evaluarla es una buena manera de ver cuán efectiva es. El diseño de antena es iterativo en la naturaleza. Esto es cierto en el diseño del elemento de la propia antena y puede ser cierto incluso cuando se diseña una antena existente en un sistema. Pregunte a ingenieros de RF si cambiar un parámetro de una antena en particular mejoraría el diseño. Seguramente dirán “No hay forma de saberlo. Debemos probarlo”.
En otras áreas de las ciencias aplicadas, los ingenieros pueden estar dispuestos a proporcionar una conjetura a una pregunta similar, pero con RF, la sensibilidad de la antena a los alrededores y los márgenes de rendimiento siempre tan ajustados hacen que la única respuesta sea hacer una prueba y, luego, volver a evaluarla una y otra vez si es necesario.
Los diseñadores nunca empiezan un proyecto de desarrollo de dispositivo esperando a que requiera un diseño a medida. Siempre se prefiere las soluciones de antenas RF existentes, debido a su bajo coste y sus cortos plazos de ejecución. Sin embargo, cuando se necesita una antena a medida, los recursos de diseño y prueba de un proveedor de antenas con experiencia son cruciales a la hora de crear una solución que funcione de forma efectiva para los complejos y, a menudo, pequeños dispositivos inalámbricos de hoy en día.
Finalmente, hay que destacar que con casi todos los dispositivos RF se requiere algún tipo de aprobación para el sistema completo a la hora de lanzarlo al mercado. Las pruebas de antena mencionadas previamente no son solo importantes para asegurar el rendimiento adecuado del dispositivo y garantizar usuarios finales satisfechos, sino que pueden ser necesarias para obtener la aprobación de FCC para el dispositivo.
En caso de que el dispositivo se utilice en una red móvil, será necesario que los dispositivos cumplan con todos los requisitos RF de portador. Generalmente, a mayor velocidad de un dispositivo en una red 4G, más exigente y desafiante será el proceso de certificación, por ejemplo, un teléfono inteligente debe pasar unas pruebas y validaciones más exhaustivas que una estación de vigilancia doméstica habilitada por LTE. Los dispositivos con antenas bien diseñadas que han pasado por ciclos reiterados de pruebas de rendimiento de antena pasarán los test y las validaciones RF de producto final, como pruebas de portador o FCC.
En resumen, cuanta más atención pongamos al hecho de elegir correctamente la antena de forma temprana en el proceso de diseño, mejor será el desarrollo inalámbrico.
