Informe técnico: Diseño de antenas de campo cercano para dispositivos giratorios

El modelo de simulación de la antena está construido en el entorno ANSYS HFSS. La geometría de la antena propuesta se da en la Fig.1 (a) y (b). El cuerpo principal de la antena es una línea circular de microtiras conectada con una resistencia de RF de 50 ohmios. La línea de microtiras tiene un conductor de ancho w1 impreso en un lado de un sustrato FR4 económico de espesor d=0.762 mm y tiene otro conductor de ancho w2=6 mm en el otro lado del sustrato. Los radios interno y externo del submarino FR4 son R1=50 mm y R2=60.5 mm respectivamente. El puerto agrupado se aplica en un extremo de la línea de microtiras como fuente de alimentación y la impedancia del puerto es de 50 ohmios. En el otro extremo de la línea de transmisión, se modela una resistencia agrupada de 50 ohmios.

A partir de la fórmula (1), se puede determinar el ancho de la traza de señal de la línea de microtiras W1 propuesta y el valor debe optimizarse aún más mediante el software de simulación EM. La Fig. 2 muestra el prototipo de antena propuesta, un cable rígido con conector SMA está conectado con un extremo de la línea circular de microtiras y una carga de RF está conectada con el otro extremo.

La Fig. 3 muestra el modelo de simulación simplificado en HFSS de la cámara de seguridad con alimentación sin contacto y enlace de datos. La cámara está en la parte inferior que gira alrededor del eje de metal en el centro. La parte superior se fija con la fuente de alimentación y el centro de datos de imágenes. El transmisor de potencia (PTx) compuesto por el circuito transmisor de potencia y la bobina PTx y el receptor WiFi compuesto por circuito inalámbrico y antena Rx se alojan en la parte superior, mientras que el receptor de potencia (PRx) y el transmisor WiFi se encuentran en la parte inferior. En la estructura, la bobina PTx y la bobina PRx se utilizan para la alimentación sin contacto. Las bobinas deben colocarse en el modelo de simulación porque tienen un efecto en el rendimiento de la antena.

La antena se ha diseñado e investigado a través de la simulación con HFSS para ahorrar el costo y el tiempo de corte y seguimiento. Una vez que se consiga la antena con buen rendimiento, se realizan los prototipos de antena para verificar la simulación. Para este diseño, se realizan 2 muestras y se prueban a través del analizador de red vectorial Keysight E5071C y las sondas Satimo 32 de cámara anecoica.
 

La Fig. 4 ilustra la relación de distribución de energía entre la antena y el entorno, donde P_tx es la potencia de entrada en la antena Tx, P_rx es la potencia recibida por la antena Rx, P_leak es la potencia de fuga al entorno, P_capture es la potencia recibida por una antena dipolo estándar virtual a 30 cm de distancia de la cámara inalámbrica. Entre estos parámetros, la relación entre P_capture y P_leak es
                                P_capture = P_leak + Pérdida de trayectoria de 30 cm                                              (2)

Donde:

La Fig. 5 proporciona los resultados de simulación y medición de la pérdida de retorno de la antena. Se puede ver que |S11| es mejor que -15 dB en la banda de operación 2.4-2.49 GHz y constante en ángulos de rotación phi = 0, 90 y 180. Indica que la antena tiene una buena coincidencia durante todo el curso de rotación.

La Fig. 6(a) muestra la potencia recibida por la antena Rx y la Fig. 6(b) la potencia capturada por la antena dipolo estándar a 30 cm de distancia. Podemos ver que la potencia más baja recibida por Antenna Rx de Antenna Tx es de -26 dB y la potencia máxima capturada por la antena estándar virtual es de -56 dB en el peor de los casos. La potencia recibida es 30 dB más alta que la capturada por la antena estándar virtual. Además, el P_rx tiene una variación baja cuando la parte inferior de la cámara inalámbrica gira alrededor del eje. Si P_tx está configurado en -35 dBm, entonces P_rx > -60 dBm y P_capture < -91 dBm y el sistema tendrá una buena comunicación inalámbrica mientras que la potencia de fuga muy baja para la intercepción.

Debido a que la mayoría de las antenas WiFi en el mercado para este tipo de aplicaciones son antenas resonantes convencionales, como dipolos, IFAs, PIFAs, etc. Para demostrar que la antena propuesta es superior a la antena convencional en rendimiento, la antena dipolo [2] que se muestra en la Fig. 7 con una banda de frecuencia de operación que cubre 2.4-2.49 GHz se utiliza para reemplazar la antena propuesta en el mismo modelo de cámara que en la Fig. 3 y los resultados de la simulación se derivan para la comparación (las cubiertas superior e inferior están ocultas en el modelo).

A partir de los resultados de la simulación, se ve que la antena dipolar no es una antena de campo cercano, por lo que no puede lograr una buena coincidencia de impedancia cuando opera en campo cercano durante la rotación, como se demuestra en la Fig.8. La pérdida de retorno varía con 3 dB durante la rotación de phi= 0 a 180, lo que hace que la coincidencia con el circuito del receptor WiFi sea un desafío en todo el curso de la rotación.

La Fig. 9(a) muestra que P_rx/P_tx varía significativamente a medida que la antena Tx gira, especialmente, cuando phi cambia de 0° a 180°, P_rx/P_tx se reduce en gran medida de -5 dB a -35 dB. Las razones son:

1. Cuando la antena Tx gira, la pérdida de trayectoria entre las dos antenas varía mucho a medida que cambia la distancia de centro a centro.
2. La antena dipolar está polarizada linealmente, cuando la antena Tx gira, se produce un desajuste de polarización severo.
   
   

La Fig. 9 (b) muestra que la potencia de fuga máxima capturada irradiada por el dipolo al entorno es tan alta como -35 dB, que es 21 dB más alta que la antena propuesta. La razón es que la antena dipolar convencional es una antena de campo lejano resonante que tiene una radiación de campo lejano intrínsecamente fuerte. Por lo tanto, las antenas de campo lejano resonantes en otros tipos también son poco prácticas para un enlace de datos de alta velocidad de corto alcance con el requisito de baja potencia capturada por razones de seguridad.

Se ha diseñado una antena de anillo polarizado circular de campo cercano mediante la herramienta de simulación ANSYS HFSS y se ha verificado mediante la medición de la muestra. La antena es una línea circular de microtiras conectada con una resistencia de RF de 50 ohmios. La antena propuesta puede lograr una buena coincidencia de impedancia en la banda de operación de 2.4 a 2.49 GHz. Se demuestra por los resultados de simulación y medición que puede proporcionar un buen enlace de datos y una baja fuga al entorno. Nuestra antena propuesta podría ser una solución prometedora para aplicaciones de enlace de datos de alta velocidad y alta seguridad, que se vuelve cada vez más con el aumento de la instalación y la aplicación del uso de la transmisión de video de las cámaras para el monitoreo de seguridad, así como las máquinas y automóviles de funcionamiento automático.

Además, como esta antena es una antena viajera, el campo eléctrico de campo cercano y el campo magnético se distribuyen uniformemente a lo largo de la periferia con polarización circular de campo cercano, lo que proporciona así un enlace de datos estable y constante durante la rotación y que lo convierte en una alternativa perfecta de los anillos deslizantes con alta seguridad y confiabilidad en una banda de frecuencia muy amplia.

Después de obtener el rendimiento de la antena de la simulación y la prueba del prototipo, se realizará la prueba activa con el chipset WiFi y el módulo de alimentación sin contacto en la PCB para validar el rendimiento de la antena y el sistema.

Hay un amplio uso de la antena de campo cercano en electrodomésticos, industria y otras áreas. La antena propuesta es bastante adecuada para dispositivos giratorios que utilizan alimentación sin contacto. El estudio y el trabajo futuros serán optimizar el rendimiento de la antena y diseñar el apantallamiento para el sistema para reducir aún más la potencia de fuga para evitar la intercepción.