O desafio de integrar uma antena em pequenos dispositivos IoT

A Internet das Coisas (IoT) é uma tendência tecnológica de mudança de paradigma em que objetos do quotidiano, desde frigoríficos a relógios, são transformados em dispositivos inteligentes com conectividade à Internet. Esses objetos podem compartilhar dados entre si, possibilitando automatizar e aprimorar muitos aspectos da vida diária.

As antenas desempenham um papel fundamental nesses dispositivos. Uma antena é um dispositivo que converte radiação eletromagnética em corrente elétrica ou vice-versa. Esta função é crucial para permitir que os dispositivos IoT comuniquem e troquem dados entre si sem fios, facilitando assim a interconectividade que define a Internet das Coisas.

Dadas as muitas restrições e considerações em jogo, no entanto, a integração de antenas nestes pequenos dispositivos IoT (Figura 1) é um desafio significativo.

No mundo da IoT, o pequeno é o novo grande: os consumidores desejam dispositivos compactos e discretos, e os fabricantes se esforçam para cumpri-los. Estas restrições de tamanho representam um obstáculo significativo para a integração da antena.

As antenas operam com base na ressonância em uma frequência específica e seu tamanho é normalmente proporcional ao comprimento de onda da frequência para a qual foram projetadas para operar. Por exemplo, uma antena dipolo operando em uma banda de frequência de 2,4 GHz precisaria idealmente ter aproximadamente 6,25 cm de comprimento – um tamanho que muitas vezes não é viável para dispositivos IoT compactos.

O espaço dentro de um pequeno dispositivo IoT está lotado, apresentando uma tarefa complexa para integração de antenas. A antena deve funcionar próxima a outros componentes, como processadores, baterias e sensores. Esses componentes podem interferir no funcionamento da antena, afetando seu desempenho e, em última análise, a funcionalidade do dispositivo.

Por exemplo, o invólucro metálico de uma bateria, muitas vezes o maior componente dentro de um dispositivo IoT compacto, pode perturbar a operação de uma antena de duas maneiras: pode desafinar a antena, alterando sua frequência operacional, ou devido ao seu tamanho, pode proteger o antena, reduzindo o padrão de radiação efetivo e enfraquecendo a conectividade do dispositivo.

Da mesma forma, os processadores, especialmente aqueles que operam em altas frequências, geram ruído eletromagnético substancial. Quando uma antena está próxima, ela pode captar esse ruído, o que interfere na recepção e transmissão de sinais.

A busca por dispositivos IoT menores e mais compactos é excelente para portabilidade e estilo, mas tem desvantagens quando se trata do desempenho das antenas. À medida que esses dispositivos ficam menores, as antenas dentro deles também precisam diminuir. Essa redução de tamanho pode impactar negativamente muitos recursos importantes de como uma antena funciona.

Alguns dos efeitos prejudiciais da miniaturização no desempenho da antena incluem:

Existem várias soluções potenciais para esses desafios:

Os SoCs integram uma unidade microcontroladora (MCU) e um front-end de RF em uma matriz de silício. Ao mesclar essas duas funções, os SoCs fazem excelente uso do espaço limitado dentro de um dispositivo IoT. Essa vantagem de eficiência de espaço é um dos principais motivos pelos quais os dispositivos IoT são cada vez mais projetados em torno de MCUs sem fio.

Apesar desses benefícios, os SoCs não conseguem resolver todos os problemas: o tamanho físico da antena ainda é limitado pelo comprimento de onda da frequência em que opera, e a dessintonização – uma mudança na frequência operacional da antena causada por componentes próximos – continua sendo um problema significativo. .

Outra solução potencial é emparelhar SoCs com antenas de rastreamento PCB ou antenas de chip.

Uma antena de rastreamento de PCB é uma antena cujo condutor está gravado na superfície do PCB (Figura 2). Eles são econômicos, mas ocupam um espaço considerável e, portanto, criam dispositivos IoT volumosos. Por outro lado, as antenas de chip são componentes menores montados na superfície que podem economizar espaço. No entanto, dependendo se estão conectados ao plano de terra ou não, podem exigir uma quantidade significativa de área livre.

Ao utilizar esses tipos de antena, os projetistas precisam levar em conta vários fatores para estimar o tamanho do dispositivo IoT. Isso inclui as dimensões da PCB necessárias para a antena, as áreas livres necessárias e a distância entre a antena e a borda da caixa do dispositivo.