Selección de antenas de 868 MHz: diseño de antenas helicoidales, de látigo y sub-GHz para montaje en PCB

La elección de una antena para un dispositivo inalámbrico de 868 MHz implica más que simplemente igualar la frecuencia de operación nominal. Los ingenieros también deben considerar el plan de frecuencias regional, el plano de tierra disponible, el método de montaje, los materiales de la carcasa, el patrón de radiación y el rendimiento de radiofrecuencia requerido por la aplicación. Estos factores son particularmente importantes para LoRaWAN, LPWAN, monitoreo remoto, medición inteligente y otros sistemas inalámbricos sub-GHz.

Esta guía explica cómo evaluar antenas montadas en PCB, monopolos helicoidales y antenas externas tipo látigo para aplicaciones de 868 MHz. También introduce cálculos prácticos de longitud de onda y plano de tierra, y compara antenas representativas. Kinghelm productos con el TE Connectivity ANT-868-HETH, y describe los pasos de validación de RF necesarios antes de la producción.

1. Confirme la banda de operación y los requisitos de la aplicación.

Antes de elegir una antena, verifique el rango de frecuencia que utiliza el dispositivo y la normativa aplicable en su mercado objetivo. Los términos 433 MHz, 470 MHz, 868 MHz y 915 MHz describen categorías de frecuencia sub-GHz de uso común, pero no son intercambiables. Las asignaciones regionales, la potencia de transmisión permitida, las restricciones del ciclo de trabajo y los planes de canales varían.

No se debe asumir automáticamente que una antena diseñada para 868 MHz tendrá un buen rendimiento en la banda de 915 MHz. Incluso cuando dos productos parecen similares, sus frecuencias de resonancia, redes de adaptación de impedancia y características de radiación pueden diferir significativamente.

Para un nuevo diseño, documente los siguientes requisitos antes de preseleccionar las antenas candidatas:

• Frecuencia de operación: Especifique el rango de frecuencia real en lugar de solo la frecuencia central nominal.
• Tecnología de radio: Identifique si la aplicación utiliza LoRaWAN, otro protocolo LPWAN, telemetría o un enlace Sub-GHz propietario.
• Espacio disponible: Registre las dimensiones de la placa de circuito impreso, el área de separación, las dimensiones de la carcasa y la altura permitida de la antena.
• Método de montaje: Decida si el diseño requiere un componente montado en la placa de circuito impreso, una antena de orificio pasante o una antena externa.
• Objetivos de RF: Defina la adaptación de impedancia, la eficiencia, la cobertura de radiación y el alcance de comunicación aceptables.
• Requisitos medioambientales: Tenga en cuenta la temperatura, la exposición a la humedad, las vibraciones y el entorno de instalación previsto.

Una antena compacta puede simplificar la integración mecánica, pero el tamaño por sí solo no determina el rendimiento del sistema. La antena debe funcionar con el dispositivo completo, incluyendo su plano de tierra, carcasa, batería, cables y componentes electrónicos cercanos.

2. Comparar las configuraciones de antenas montadas en PCB, helicoidales y externas.

Las distintas estructuras de antena abordan diferentes limitaciones mecánicas y de radiofrecuencia. Una antena cerámica montada en PCB puede ayudar a ahorrar espacio, mientras que un monopolo helicoidal ofrece una implementación compacta de un radiador monopolo. Una antena externa de látigo o de goma puede alejar el elemento radiante de algunos componentes electrónicos y ofrecer mayor flexibilidad de posicionamiento.

Antenas montadas en PCB para dispositivos con espacio limitado

Una antena montada en PCB puede ser una opción práctica cuando la carcasa del producto es pequeña y no se desea un elemento radiante externo. Sin embargo, la ganancia o la frecuencia central publicadas de la antena no describen completamente su rendimiento después de la instalación. El diseño de la PCB, el plano de tierra, los componentes de adaptación y los materiales circundantes pueden modificar la resonancia y afectar la eficiencia de radiación.

Al evaluar una antena montada en PCB, siga las recomendaciones del fabricante sobre el diseño y las zonas de exclusión. Evite colocar baterías, soportes metálicos, marcos de pantalla, blindajes u otras estructuras conductoras demasiado cerca del elemento radiante, a menos que el diseño se haya evaluado en esa configuración.

Para obtener información adicional sobre la integración de antenas en PCB, consulte Antenas de parche, de chip y de PCB para dispositivos portátiles BLE . Si bien el artículo se centra en la integración en dispositivos portátiles, sus principios de diseño y separación también resultan útiles al planificar diseños de antenas compactas.

Monopolos helicoidales para diseños compactos sub-GHz

Un monopolo helicoidal utiliza una estructura de bobina conductora para proporcionar una implementación de antena compacta. Las variantes de orificio pasante pueden ser útiles cuando el diseño de la placa de circuito impreso y el diseño mecánico se adaptan al estilo de montaje del componente y a los requisitos de espacio libre.

No asuma que todas las antenas helicoidales son eléctrica o mecánicamente intercambiables. Una versión de montaje pasante y una de montaje superficial pueden tener dimensiones, requisitos de instalación y rendimiento diferentes en un dispositivo específico. Confirme el número de pieza exacto y el plano del fabricante antes de modificar la placa de circuito impreso.

Antenas externas de látigo y de goma

Una antena externa puede resultar útil cuando la carcasa permite ubicarla lejos de las principales fuentes de desintonización de radiofrecuencia. Esta configuración puede ser adecuada para pasarelas, equipos de monitorización y dispositivos donde se acepta un perfil de antena de mayor tamaño.

Verifique la frecuencia nominal, la impedancia, la ganancia, la polarización, la interfaz de montaje y el cableado o la alimentación de la antena, según corresponda. Asimismo, se debe evaluar la durabilidad mecánica y el rendimiento de radiofrecuencia de la instalación final en el entorno operativo previsto.

3. Aplicar los principios de longitud de onda y plano de tierra.

La longitud de onda constituye un punto de partida útil para comprender las dimensiones de una antena. Sin embargo, por sí sola no determina el tamaño físico final de una antena práctica, ya que la carga, la geometría de la bobina, los materiales dieléctricos, los conductores cercanos y la red de adaptación influyen en el diseño.

Calcula la longitud de onda a 868 MHz.

Para una estimación inicial, utilice la siguiente fórmula:

Longitud de onda (λ) en metros ≈ 300 ÷ Frecuencia (MHz)

A 868 MHz:

• Longitud de onda: λ ≈ 300 ÷ 868 ≈ 0.346 m, o aproximadamente 346 mm.
• Un cuarto de longitud de onda: λ/4 ≈ 86.4 mm.

El resultado de un cuarto de longitud de onda es una referencia teórica para un monopolo simple en el espacio libre. Una antena práctica puede ser físicamente más corta o estar configurada de otra manera mediante carga y ajuste. Su longitud eléctrica efectiva y su rendimiento dependen de la estructura y la instalación de la antena.

Por qué es importante el plano de tierra

Una antena monopolo funciona en conjunto con su estructura de tierra. El plano de tierra de la placa de circuito impreso (PCB), la disposición de montaje y los componentes conductores cercanos influyen en la distribución de corriente y el patrón de radiación. Un plano de tierra diferente al de referencia del fabricante puede modificar la adaptación de impedancia y el rendimiento real.

Por ejemplo, la información del producto TE Connectivity ANT-868-HETH especifica una referencia de plano de tierra de 38 × 84 mm en su documentación de antena. Esto debe considerarse una configuración de referencia para la evaluación, no un requisito de tamaño de PCB universal para todas las antenas de 868 MHz.

Al diseñar la placa de circuito impreso, tenga en cuenta estos pasos prácticos:

1. Siga las indicaciones del fabricante de la antena sobre el patrón de colocación en tierra, la conexión a tierra y la zona de exclusión.
2. Mantenga los objetos conductores y los componentes sensibles alejados de la sección radiante cuando así lo exijan las directrices de diseño.
3. Coloque la alimentación de la antena y la red de adaptación de impedancias según la disposición de RF recomendada.
4. Deje espacio para los componentes de ajuste si el proceso de diseño requiere un ajuste de impedancia.
5. Mida la antena en el producto ensamblado, en lugar de basarse únicamente en cálculos o en una simulación de la placa de circuito impreso sin componentes.

Para obtener información más detallada sobre el diseño, consulte Diseño de antenas de RF: una guía práctica para ingenieros intermedios.

Correspondencia y medición

La especificación de impedancia de 50 Ω es una referencia útil para la interfaz, pero no garantiza que la antena presente una carga de 50 Ω una vez instalada en el producto final. La antena y la placa de circuito impreso (PCB) conforman el sistema de radiofrecuencia (RF).

Utilice un analizador de redes vectoriales (VNA) para evaluar la adaptación de impedancia de entrada en la banda de operación requerida. Las mediciones de S11 y ROE (relación de onda estacionaria) pueden ayudar a identificar cambios de resonancia y problemas de adaptación. Siempre que sea posible, evalúe también la eficiencia radiada total, los diagramas de radiación y el rendimiento de la comunicación inalámbrica.

Un buen resultado en la prueba S11 por sí solo no garantiza una alta eficiencia de radiación ni el alcance de comunicación esperado. Las pérdidas conductivas, las pérdidas dieléctricas, los efectos de la carcasa, la orientación de la antena y el entorno del receptor influyen en los resultados reales.

4 Comparar Kinghelm Productos de 868 MHz con el TE ANT-868-HETH

Al comparar productos, es importante distinguir entre las especificaciones eléctricas y la compatibilidad mecánica. Para diseños de sub-GHz, se pueden considerar una antena compacta montada en PCB, una antena externa de goma y un monopolo helicoidal de orificio pasante, pero cada una cumple con diferentes requisitos de integración.

Representante Kinghelm Productos

Importante: Los valores anteriores corresponden a las especificaciones del producto proporcionadas por el fabricante, no a una comparación de rendimiento en condiciones controladas. Las cifras de ganancia no deben interpretarse como directamente equivalentes a menos que las definiciones de medición y las condiciones de prueba sean comparables. El diseño final debe evaluarse en su placa de circuito impreso, carcasa y entorno de instalación previstos.

Cómo interpretar la comparación

La KH-10032-A83 es ​​una opción compacta para montaje en PCB con una frecuencia central publicada de 868 MHz y un ancho de banda de 10 MHz. Puede ser conveniente evaluarla cuando el diseño prioriza un tamaño de antena reducido, sujeto a la banda de operación requerida y las directrices de diseño del fabricante.

La KH-(868)-J505-JB es una antena de goma con una frecuencia nominal de 868 MHz, una impedancia de 50 Ω y una ganancia de 2.0 dBi. Representa un enfoque de integración diferente al de una antena cerámica montada en PCB y puede considerarse cuando el diseño mecánico del producto permite el uso de una antena externa o montada por separado.

La TE ANT-868-HETH es una antena monopolo helicoidal de montaje pasante con funcionamiento homologado por el fabricante en la banda de frecuencia de 862–870 MHz. Su estilo de montaje y características eléctricas deben evaluarse en función de los requisitos específicos del producto.

Estos Kinghelm Los productos no deben describirse como reemplazos directos del TE ANT-868-HETH sin verificación previa. Las diferencias en el montaje, la interacción con el plano de tierra, la adaptación de impedancias, el espacio libre mecánico y el rendimiento de RF pueden requerir modificaciones en la placa de circuito impreso o la carcasa. Confirme las dimensiones exactas, la interfaz y la documentación de conformidad del producto seleccionado antes de aprobar su producción.

5. Validar el rendimiento de RF en el dispositivo final.

Incluso una antena correctamente especificada puede comportarse de manera diferente tras su integración. Una carcasa metálica, una batería, una pantalla, un cable, un soporte de montaje o un circuito cercano pueden alterar la impedancia y las características de radiación de la antena. Por este motivo, la validación de la antena debe formar parte del proceso de desarrollo del producto, en lugar de ser una verificación final de proveedores.

Lista de verificación de validación recomendada

• Cobertura de frecuencias: Confirme que la antena cubre todos los canales necesarios y la banda regional correspondiente.
• Coincidencia de impedancia: Mida S11 o VSWR en todo el rango de operación utilizando una configuración de prueba de RF adecuada.
• Eficiencia de radiación: Evalúe el rendimiento radiado en un dispositivo ensamblado representativo siempre que los recursos de prueba lo permitan.
• Orientación: Evalúe la orientación prevista de la antena y la posición esperada del producto durante su uso.
• Efectos del plano de tierra: Compare el diseño final de la placa de circuito impreso con la configuración de referencia o recomendada por el fabricante.
• Efectos del confinamiento: Realice la prueba con la carcasa final, la batería, la pantalla y las principales partes conductoras instaladas.
• Rendimiento de la comunicación: Pruebe el enlace de radio real en condiciones de funcionamiento representativas en lugar de confiar únicamente en la ganancia de la antena.
• Idoneidad ambiental: Verifique que los requisitos de temperatura, humedad, vibración y mecánicos se ajusten a la documentación del producto.
• Cumplimiento normativo: Confirme que el dispositivo terminado cumple con los requisitos de radio y de producto pertinentes en su mercado objetivo.

Cuando el producto está diseñado para LoRaWAN u otra aplicación inalámbrica de largo alcance, las pruebas deben reflejar el entorno de implementación real. La altura de instalación, la orientación de la antena, las obstrucciones, las interferencias y la antena receptora pueden afectar el rendimiento del enlace.

Para diseños montados en PCB, deje suficiente espacio para ajustes en la red de adaptación si las mediciones de RF iniciales indican que se requiere sintonización. Cualquier cambio de componente debe documentarse y verificarse en un hardware representativo de la producción.

6. Tome una decisión informada sobre el diseño y el suministro de componentes para la banda sub-GHz.

La elección de una antena Sub-GHz práctica comienza con la banda de frecuencia objetivo y continúa con la integración mecánica, la validación de RF y la revisión de proveedores. La antena más pequeña no es necesariamente la mejor opción, y una mayor ganancia publicada no garantiza un mejor rendimiento en todos los productos.

Para un dispositivo compacto, una antena montada en PCB como la KH-10032-A83 puede ser una opción a evaluar si su rango de frecuencia y requisitos de diseño coinciden con los del dispositivo. Si resulta más apropiada una antena montada por separado, la KH-(868)-J505-JB ofrece otra opción para evaluar. Para diseños que requieren un monopolo helicoidal de orificio pasante, la TE ANT-868-HETH proporciona una referencia documentada por el fabricante para evaluar dicha configuración.

Antes de finalizar la lista de materiales, confirme el modelo exacto, la banda de operación, el plano mecánico, la impedancia, las condiciones de medición de ganancia, la interfaz de montaje y la información de cumplimiento aplicable. Si va a reemplazar una antena existente, pruebe tanto el ajuste mecánico como el rendimiento de RF en el dispositivo real, en lugar de basarse únicamente en la frecuencia nominal.

KinghelmLa cartera de antenas de la compañía incluye productos para diferentes necesidades de integración inalámbrica. Los ingenieros y los equipos de compras pueden revisar las especificaciones de producto publicadas y confirmar su idoneidad para la aplicación prevista antes de seleccionar una pieza para su producción.

Para obtener más información sobre la integración de antenas, consulte el artículo " ¿Cómo elegir una antena Bluetooth? De parche a cerámica" . Si bien se centra en Bluetooth, el artículo ofrece información adicional sobre cómo adaptar la estructura de la antena al espacio de productos disponible y a las limitaciones de integración.

Referencias

1. Conectividad TE, Página del producto ANT-868-HETH.
2. Conectividad TE, Catálogo de antenas.
3. Kinghelm, Listado de productos de antenas.
4. Kinghelm, Listado de productos de antenas de goma.
5. Kinghelm, Diseño de antenas de radiofrecuencia: una guía práctica para ingenieros de nivel intermedio..
6. Kinghelm, Antenas de parche, chip o PCB para dispositivos portátiles BLE.
7. Kinghelm, ¿Cómo elegir una antena Bluetooth? De parche a cerámica..