Exelonix

Na engenharia de dispositivos IoT inteligentes, a seleção e o posicionamento adequados da antena são fundamentais para garantir bom desempenho de sinal e longa vida útil da bateria, devendo ser considerados desde as etapas iniciais do projeto. Na primeira iteração do desenvolvimento de um novo dispositivo de rastreamento de frotas, a Exelonix, empresa alemã especializada em soluções IoT sem fio e software B2B, identificou problemas no desempenho dos componentes de RF durante os testes de campo. O projeto inicial incorporava uma antena de baixo custo, pronta para uso, que indicava ótimo desempenho nas folhas de dados e nas notas de aplicação. No entanto, quando o dispositivo foi testado em campo, os resultados indicaram um desempenho de transmissão fraco, com eficiência de apenas 7% na antena celular e baixo desempenho na antena do Sistema Global de Navegação por Satélite (GNSS). Também ficou claro que compensar essas eficiências inferiores com um amplificador de baixo ruído (LNA) ou uma solução alternativa de software não resolveria as limitações físicas da seleção e do posicionamento iniciais da antena. Foi então que a Exelonix contratou a TE Connectivity para avaliar a causa principal e desenvolver uma solução de antena personalizada.

A TE realizou uma análise aprofundada do projeto inicial da Exelonix, que contava com três antenas integradas (celular, GNSS e Bluetooth) selecionadas de acordo com os valores nas fichas de dados, tamanho e custo padrão. O que a equipe descobriu foi um problema típico dos dispositivos de IoT relacionado ao tamanho inadequado do plano de terra, que afeta negativamente o desempenho de radiofrequência. A ficha de dados exigia um plano de terra de 130 mm x 60 mm para oferecer >50% de desempenho em bandas baixas e >70% de desempenho em bandas altas. No entanto, os requisitos do projeto especificavam um tamanho de plano de terra de 63 mm x 33 mm, resultando em <10% de eficiência em bandas baixas e <40% de eficiência em bandas altas.   

"Embora as fichas de dados geralmente mostrem resultados ideais de desempenho, na vida real, as antenas são cercadas por outros componentes e materiais. O tamanho do plano de terra real geralmente é muito menor do que o plano de terra de referência. O dispositivo da Exelonix exigia um plano de terra significativamente maior para proporcionar melhor eficiência de energia irradiada para o ar, em vez dela ser transformada em calor devido ao material com perdas", comenta Christian Koehler, Gerente Sênior de Antena de RF da TE.

Após a análise, a equipe de engenharia da TE iniciou o processo de prototipagem e, em primeiro lugar, tentou modificar a antena existente (Fig. 1) ou identificar uma antena padrão de melhor desempenho que pudesse oferecer um nível semelhante de custo-benefício e simplicidade de produção. Os resultados mostraram um desempenho inadequado para GNSS, bem como um desempenho fraco para celular em bandas baixas.

A equipe mudou para um conceito de antena personalizada (Fig. 2), incorporando as melhores práticas do setor de smartphones com foco no aumento da largura de banda e da eficiência usando a terceira dimensão. No segundo estágio da prototipagem, a equipe desenvolveu um bloco de antena em forma de "L" usando a tecnologia de estruturação direta a laser (LDS). O bloco incorporou antenas celulares e GNSS e proporcionou um desempenho superior com eficiência >20% no pior caso, mas a integração das antenas compatíveis com a tecnologia Bluetooth ainda faltava.

Com base nesse conceito, a equipe desenvolveu um bloco de antena LDS em forma de "U" (Fig. 3) que incorporou celular, GNSS e antenas compatíveis com dispositivos Bluetooth, o que gerou um desempenho ainda melhor com maior distância do plano de aterramento e isolamento das antenas para minimizar o acoplamento e a interferência de sinal.

"Embora estivéssemos satisfeitos com o segundo conceito, tivemos que testá-lo em um caso de uso real e avaliar a distância, a posição e a altura na placa", explica Koehler. Ele continua: "Embaixo da placa de circuito impresso havia uma bateria que poderia afetar a eficiência e a largura de banda da antena, por isso tivemos que aumentar a distância entre a bateria e a placa. Além disso, havia um chassi de metal embaixo do dispositivo de rastreamento. Em seguida, a equipe tomou o chassi como exemplo de caso de uso e colocou o dispositivo de rastreamento em diferentes posições na placa (Fig. 4). Também aplicamos diferentes alturas entre o dispositivo e o plano de terra. O impacto no desempenho de radiofrequência foi incrível. P2 e H1 apresentaram os casos de uso mais desafiadores, por isso os tomamos como referência para projetar a antena adequadamente."

Após um intenso processo de teste de casos de uso, o projeto final escolhido foi a antena de bloco em forma de U que incorpora antenas celulares, antenas compatíveis com dispositivos Bluetooth e antenas GNSS com distância máxima do plano de terra. A antena celular (Fig. 5) é fabricada com a tecnologia de antena MetaSpan da TE, que permite um formato menor e ajuda a evitar o acoplamento com componentes de radiofrequência adjacentes ou outras antenas. Antenas planares de F invertido (PIFAs) foram utilizadas para compatibilidade com a tecnologia Bluetooth e as funções GNSS.

O projeto não apenas atendeu aos requisitos rigorosos da Exelonix, mas também resultou em uma montagem fácil e alta repetibilidade para produção em massa. Os ganchos localizados na parte inferior do bloco se encaixam facilmente na placa de circuito impresso e as extremidades da antena se conectam a clipes com mola, que são soldados na superfície da placa. 

Por meio dos esforços conjuntos da TE e da Exelonix, o projeto final da antena alcançou um fator de forma IoT de 90 x 58 x 15 mm com uma eficiência de >30%, que ultrapassou o limite de certificação de >20%. O fraco desempenho do GNSS aumentou em até 99,9% no cenário de rastreamento repetido e o número de mensagens a serem transmitidas com a capacidade da bateria aumentou em um fator de quase 10.

"Sempre nos esforçamos para superar as expectativas em termos de tempo de lançamento no mercado e satisfação do usuário final, não apenas com antenas, mas também com conectores, sensores e blindagem no nível da placa. É isso que os clientes podem esperar da TE", explica Koehler.