Compartimos este interesante vídeo del blog tecnológico DISK91.com (que puede ver en su versión original aquí). En el video se habla la importancia de las antenas en el IoT y LPWAN. La traducción del texto (originalmente en francés) la pueden ver debajo del vídeo.
Las antenas son un elemento crítico del diseño LPWan. Pueden hacer funcionar la radio correctamente y conservar el consumo de energía de las baterías. La primera cosa importante es tener una antena que empareje la longitud de onda de radiofrecuencia. Para 868MHz, el tamaño correcto está en 34.5cm en comparación con 2.4G (wifi, BLE …) donde tenemos 12,5cm. Incluso si el tamaño es éste por la longitud de onda generalmente utilizamos 1/2 longitud de onda o 1/4 de longitud de onda para obtener buenos resultados. Importa mucho tener la antena exactamente igualando 1/4 la longitud de onda de 8,6 cm.
Las antenas pueden tener muchos factores de forma distintos (ver video). En cualquier caso tendremos una red con el tamaño correcto, puede ser recta o enrollada, eventualmente dibujada en una red de PCB o incluida en un componente cerámico. Básicamente tendremos un resultado de radio diferente dependiendo de las antenas. La diferencia puede estar relacionada con la ganancia (o pérdida) de antena y su direccionalidad.
El plano de planta es parte de las antenas. Su tamaño tendrá un impacto directo en el rendimiento. Por esta razón, y por la longitud de onda en 868MHz, es realmente complicado tener un pequeño pero eficiente emisor de radio. No es imposible, pero requiere ingeniería.
Debido a todo esto, la antena generalmente tiene una ganancia (que puede ser negativa). Como consecuencia, la energía proporcionada por la antena sobre el aire, no es igual a la energía proporcionada por el emisor a la antena. Generalmente tenemos pérdida. Usualmente usamos la dB como una escala para expresar esta ganancia/pérdida. Básicamente, la dB es una unidad logarítmica para expresar la diferencia. Una diferencia de -3dB significa que la mitad de la potencia ha sido destruida por el circuito de la antena. La escala dB es el doble de cada 3dB. Esto significa que si emite + 25mW en un circuito de antena -3dB, efectivamente empujará + 12,5dB sobre el aire. La regulación se basa en lo que empujas sobre el aire, no en lo que envía tu emisor. Así que, básicamente, usted puede emitir más energía para compensar la pérdida del circuito de la antena. El problema relacionado con esta solución es el consumo de energía, dos veces la energía del modo equivale a una autonomía dividida por dos en sus baterías.
La manera correcta de resolver este problema es hacer un circuito de adaptación de antena.
La pérdida del circuito de la antena está relacionada con el diseño del PCB, pero no sólo con eso. La caja donde se instala el circuito también tiene un gran impacto. Por esta razón, los operadores de red quieren tener su dispositivo certificado. Esta es una manera de asegurar que el objeto de la radio es lo suficientemente correcto para trabajar en la mayor parte del área cubierta por la red.
Sigfox clasifica al objeto en 4 categorías:
ou — 14db+ / -2dB
1u — entre 12dBm y 7dBm
2u — entre 7dBm y 0dBm
3u — bajo 0dBm
Cuando está en Uo significa que su antena entregará más de la mitad de la potencia nominal de 25mW.
-7dB significa que su objeto sólo entrega menos de 6mW sobre el aire
Básicamente tener un objeto U0 le dará la mejor cobertura de red pero U1, U2, U3 también pueden referirse a objetos de trabajo. 0dB no significa 0mW sino cerca de 1mW. Eventualmente, dependiendo de la posición de la antena y de la distancia a su objeto, puede comunicarse correctamente. Por esta razón cuando hablo con un startup que tiene un presupuesto limitado en el diseño de la antena y el ajuste, por lo general recomiendo que tenga como meta U0 para U0, pero tratando de obtener la mejor eficiencia de radio para su presupuesto.
Tener un U1 con 12-10dBm ya es un buen resultado y funcionará en muchos casos, principalmente cuando se dirige, en primer lugar, a un mercado urbano donde su objeto será escuchado por muchas antenas. Una afinación posterior, una vez que el mercado haya sido probado, será más fácil con más dinero.
Para tener una visión clara de lo que se ve cuando se observa una antena que no corresponde con una VNA:
Vemos en 868 MHz una pérdida de potencia de -2,5dB. Eso significa que estamos a punto de perder el 50% de la energía. Esto es visible en el siguiente gráfico en rojo.
Vemos la misma curva en la dirección opuesta. Este gráfico es de energía mantenida cuando el anterior era de pérdida de energía.
El software asociado es capaz de proponer un circuito de correspondencia. Es un conjunto de resistencia, inductancia y condensador que puede añadir entre su antena y su emisor para hacer la correspondencia.
Para esto es fundamental en un diseño de radio agregar una huella de componente para circuito de adaptación.
Una vez adaptado el rendimiento teórico es totalmente diferente como lo vemos en este segundo gráfico:
El rendimiento de radio esperado es ahora 92% así << -1dB por lo que es realmente bueno.
Podemos verificar esto, una vez que el circuito de correspondencia se agregue con la VNA y, de esta manera, obtener la nueva curva de respuesta.
La respuesta de frecuencia es un poco diferente de la teórica, pero están en -13dB a 868Mhz – esto es alrededor de 6% de pérdida.
Si en el laboratorio tenemos un resultado realmente bueno debemos esperar una gran diferencia y deberíamos ser capaces de medir esta diferencia en el indicador RSSI de antena de red. Aquí es donde la realidad lucha contra la teoría.
Podemos echar un vistazo a los dos siguientes informes de red: el primero antes de la correspondencia, el segundo después de ella:
Como se puede ver la estación rssi OAE1 es mejor pero 3D14, ODC0 … son peores después de corresponder. De hecho, no son realmente peores debido a la correspondencia, pero supongo que el clima, la temperatura del aire, la humedad han cambiado y que estos cambios son un factor 1 en el RSSI en este nivel.
El impacto real de la correspondencia es realmente difícil de medir cuando estamos hablando de 2-3dB de diferencia y el impacto real no es realmente visible.
En el caso de una antena con un pobre diseño inicial como una antena PCB, el resultado puede ser totalmente diferente: con la misma potencia emitida en el mismo lugar, aquí están los resultados RSSI:
Puede notarse que sólo teníamos 4 estaciones base capaces de ver la comunicación del objeto en comparación con las 8 del objeto anterior y en el cuarto, 2 sólo tenía 1 repetición del mensaje (los otros 2 han sido perdidos). Cuando el primer objeto tenía un RSSI -116dB en 0DC0, el segundo tiene -123dB. Es una diferencia de 7dB, lo que significa 1/4 de la potencia solamente. En 3D14 es -19dB …
Esa es la razón por la cual el diseño de la antena y las correspondencias importan.
