Exelonix

Cuando se trata de diseñar dispositivos inteligentes para el Internet de las cosas (IoT) y ofrecer un producto compacto con un rendimiento óptimo de señal y una mayor duración de la batería, la selección y ubicación adecuados de la antena son aspectos fundamentales que deben tenerse en cuenta desde el principio de la fase de diseño. Exelonix, una empresa alemana que ofrece dispositivos IoT inalámbricos y servicios de software a clientes B2B, se encontraba en la primera fase de diseño de un nuevo dispositivo de seguimiento de flotillas, pero durante las pruebas de campo se dio cuenta de que los componentes de radiofrecuencia (RF) no funcionaban correctamente. El diseño inicial incorporaba una antena de bajo costo, que indicaba un gran rendimiento en las hojas de datos y las notas de aplicación. Sin embargo, durante las pruebas en campo, los resultados mostraron un rendimiento de transmisión deficiente, con una eficiencia de solo 7 % en celular y una antena de sistema global de navegación por satélite (GNSS) de bajo rendimiento. También estaba claro que compensar estas bajas eficiencias con un amplificador de bajo ruido (LNA) o una solución de software no resolvería las limitaciones físicas de la selección y colocación iniciales de la antena. Fue entonces cuando Exelonix contrató a TE Connectivity para evaluar la raíz del problema y desarrollar una solución de antena personalizada.

TE Connectivity realizó un análisis detallado del diseño inicial de Exelonix, que utilizaba tres antenas integradas (celular, GNSS y Bluetooth) seleccionadas con base en valores de hoja de datos, tamaño y costo de instalación. El equipo identificó un problema común en dispositivos IoT: un plano de tierra insuficiente que afectaba de forma negativa el rendimiento de RF. La ficha técnica especificaba un plano de tierra de 130 mm × 60 mm para alcanzar más del 50 % de rendimiento en banda baja y más del 70 % en banda alta. Sin embargo, los requisitos del proyecto especificaban un plano de tierra de 63 mm x 33 mm, lo que daba como resultado una eficiencia inferior al 10 % en la banda baja y inferior al 40 % en la banda alta.   

«Aunque las fichas técnicas suelen mostrar resultados de rendimiento ideales, en la vida real las antenas están rodeadas de otros componentes y materiales. El plano de tierra real suele ser mucho menor que el de referencia. El dispositivo de Exelonix requería un plano de tierra considerablemente mayor para mejorar la eficiencia de la energía radiada al aire, en lugar de que se convirtiera en calor por materiales con pérdidas», expresó Christian Koehler, Gerente sénior de productos de antenas de RF de TE Connectivity.

Una vez completado el análisis, el equipo de ingeniería de TE Connectivity comenzó el proceso de diseño del prototipo e intentó primero modificar la antena existente (fig. 1) o identificar una antena estándar con mejor rendimiento que pudiera ofrecer un nivel similar de rentabilidad y simplicidad de producción. Los resultados mostraron un rendimiento inadecuado del sistema GNSS, así como un rendimiento celular débil en bandas bajas.

Posteriormente, el equipo avanzó hacia un concepto de antena personalizada (Fig. 2), incorporando mejores prácticas de la industria de los smartphones, con un enfoque en mejorar el ancho de banda y la eficiencia mediante el aprovechamiento de la tercera dimensión. En la segunda etapa de la creación de prototipos, el equipo desarrolló un bloque de antena en forma de «L» utilizando tecnología de estructuración directa por láser (LDS). El bloque incorporaba las antenas celulares y GNSS y ofrecía un mejor rendimiento con una eficiencia superior al 20 % en el peor de los casos, pero carecía de integración de las antenas compatibles con la tecnología Bluetooth.

Partiendo de ese concepto, el equipo desarrolló un bloque de antena LDS en forma de «U» (fig. 3) que incorporaba el celular, el GNSS y antenas compatibles con dispositivos Bluetooth, lo que supuso una mayor mejora del rendimiento con una mayor distancia al plano de tierra y el aislamiento de las antenas para minimizar el acoplamiento y la interferencia de la señal.

«Aunque estábamos satisfechos con el segundo concepto, tuvimos que llevarlo a un caso de uso real y evaluar la distancia, la posición y la altura en el tablero», explica Koehler. Continúa diciendo: «Debajo de la placa de la computadora había una batería que podía afectar la eficiencia y el ancho de banda de la antena, por lo que tuvimos que aumentar la distancia entre la batería y la placa». Además, debajo del dispositivo de seguimiento había un chasis metálico. A continuación, el equipo tomó el chasis como ejemplo de caso práctico y colocó el dispositivo de seguimiento en diferentes posiciones de la placa (fig. 4). También aplicamos diferentes alturas entre el dispositivo y el plano de tierra. El impacto en el rendimiento de RF fue increíble. P2 y H1 presentaban los casos de uso más difíciles, por lo que los tomamos como referencia para diseñar la antena adecuadamente

Tras un intenso proceso de pruebas de casos de uso, el diseño final elegido fue la antena en bloque en forma de U que incorpora antenas celulares, compatibles con dispositivos Bluetooth y GNSS con la máxima distancia al plano de tierra. La antena celular (Fig. 5) está fabricada con la tecnología de antenas MetaSpan de TE Connectivity, que proporciona un factor de forma más pequeño y ayuda a evitar el acoplamiento con componentes de RF adyacentes u otras antenas. Se utilizaron antenas planas invertidas en F (PIFA) para garantizar la compatibilidad con la tecnología Bluetooth y las funciones GNSS.

El diseño no solo cumple con los estrictos requisitos de Exelonix, sino que también ofrece un fácil montaje y una alta repetibilidad para la producción en masa. Los ganchos ubicados en la parte inferior del bloque se encajan directamente en la tarjeta de circuito impreso, y las alimentaciones del extremo de la antena se conectan a clips de resorte soldados sobre la superficie de la tarjeta. 

Gracias al esfuerzo conjunto de TE Connectivity y Exelonix, el diseño final de la antena alcanzó un factor de forma IoT de 90 x 58 x 15 mm con una eficiencia mayor al 30 %, lo que superó el límite de certificación del 20 %. El rendimiento deficiente del GNSS aumentó hasta un 99,9 % en el escenario de seguimiento repetido y el número de mensajes que se debían transmitir con la capacidad de la batería aumentó casi diez veces.

«Siempre nos esforzamos por superar las expectativas en cuanto al tiempo de comercialización y la satisfacción del usuario final, no solo con antenas, sino también con conectores, sensores y blindajes a nivel de placa relacionados. Este es el tipo de servicio que TE Connectivity presta a los clientes», explica Koehler.