La Potencia Del IOT

Ha llegado la era de las redes 5G y el Internet de las Cosas, el afamado IOT, y como diseñadores de PCB tenemos que estar preparados para afrontar estos nuevos retos de diseño que suponen las nuevas tecnologías, que de nuevo se expanden aun más por todo el espectro electromagnético.

Uno de los mayores inconvenientes de trabajar con estas tecnologías es el acoplamiento en nuestro PCB de los amplificadores de red. Para ello, trataremos de solventar la integración de estos en nuestro PCB a través de distintas técnicas de circuitos de acoplamiento de red y atenuación.

Amplificadores. ¿Por qué y para qué?

Con la llegada del IOT, se ha abierto un gran espectro de emisión en frecuencias para estas tecnologías. La mayor parte, se encuentra, a nivel europeo, en la zona de los 800MHz a los 900MHz, con una potencia legal de emisión de casi +20dBm.

Si lo vemos desde el punto de vista de potencia en vatios, podemos pasar de esta escala logarítmica de dBm, a una escala lineal con un punto de vista más comprensible:

De esta sencilla forma llegaremos a la conclusión de que +20dBm se convierten en 100mW. 

Si pensamos que esos 100mW deben proporcionarse por el microcontrolador, o cualquier dispositivo que trate de emitir una señal de RF para IOT, pensaremos en un nivel de energía bastante alto para poder emitirlo a través del propio dispositivo. Solo tratar de disipar térmicamente gran parte de ella puede resultar un problema.

Por ello, usaremos amplificadores de RF para conseguir llegar a estos niveles de emisión.

Acoplamiento del circuito RF.

La mayoría de los amplificadores de potencia para RF, “Power Amplifiers (PA)” o “Low Noise Amplifier (LNA)”, tienen una impedancia de entrada y salida de 50ohms que debemos mantener hasta llegar a la antena en nuestro PCB, y por ello, debemos mantener un control de impedancias en el PCB.

Habitualmente la antena o el conector para ella se encuentra en el borde de la placa, y aunque sea un diseño multicapa, lo mas cómodo es rutar la conexión entre microcontrolador, amplificador y antena en la capa exterior del PCB, por lo que el control de impedancias lo realizaremos con un “microstrip”.

^{“Un “microstrip” es una pista que se encuentra en la capa externa del PCB y se diseña con un control de impedancias teniendo en cuenta un plano de referencia.”}

De este modo, conseguiremos mantener la impedancia en la parte de transmisión y recepción de RF, o lo que es lo mismo nos aseguraremos de un completo acoplamiento. Para ello, puedes echar un ojo a este post.

Potencia emitida contra potencia radiada.

Ahora que sabemos como mantener la impedancia en la parte del circuito de RF, debemos comprobar que realmente se cumple. Por ello, debemos comprender una de las más características definiciones del mundo del RF, la relación de onda estacionaria o más conocido como Standing Wave Ratio (SWR).

Con esas definiciones comprenderemos cual es la potencia real emitida.

^{“La onda azul es la onda incidente, la onda roja la reflejada, la onda negra es la asociada al SWR generado como suma vectorial de ambas”.}

Para hablar del SWR a lo largo de una línea de transmisión debemos pensar en onda incidente y onda reflejada. Si no tenemos onda reflejada, hablaremos de que el SWR=1, es decir que la potencia emitida es la máxima. Por el contrario, si existe onda reflejada aparecerán variaciones de tensión en la línea de transmisión por lo que el SWR>1.

Si tenemos un SWR>1 suponiendo que la onda incidente sea del 100%, es decir que el control de impedancias sea correcto con anterioridad, podremos calcular el porcentaje de reflexión de la señal en la línea de transmisión.

De esta manera comprenderemos como se comporta nuestro equipo en transmisión.

Por otro lado, también debemos conocer como se comporta nuestro sistema en la recepción, es decir, como es de sensible a la recepción de dicha potencia dentro del ancho de banda deseado. Por ello, hablaremos de la ratio señal ruido, o más conocido como “signal” to “noise” ratio (SNR). 

Usar siempre amplificadores puede ser solución en transmisión, pero a la vez también puede ser problema en la recepción. La consecuencia de usar amplificadores en la recepción es que el ruido generado por la primera parte de este, que se acumula a medida que va pasando por las distintas etapas de amplificación.

^{“El ruido generado por el amplificador afecta la amplitud de la señal recibida”.}

Para ello, podemos calcular los valores de la potencia generada de la relación de señal ruido de este modo:

De este modo, podremos relacionar el ruido generado por el entorno y la potencia recibida. Ahora trataremos de disminuir estos factores que relacionan la reflexión de la señal.

Técnicas de acoplamiento de redes.

Siempre que tengamos niveles de SWR altos, como hablamos anteriormente un valor de SWR>1 y lejanos a 1, hablaremos de que la señal que emitimos a través de la línea de transmisión se ve reflejada por la propia línea, es decir parte de la potencia que emitimos no sale en su totalidad del PCB.

Todo esto, es debido a que nuestro circuito no esta totalmente acoplado, es decir, la línea no mantiene la impedancia deseada a lo largo del PCB, y por ello tenemos reflexión en la señal.

Para afrontar este problema lo trataremos a través tres técnicas de acoplamiento de RF, el acoplamiento en T, en L y en PI, o más comúnmente conocidos como T-Match, L-Match y Pi-Match.

T-Match

El acoplamiento en T cuenta con dos condensadores variables en serie con una bobina variable en paralelo a la unión entre ambos.

Lo definimos variable ya que tenemos que jugar con los valores de estos para obtener el acoplamiento deseado en el circuito, de ahí esa versatilidad, que nos permiten trabajar en todo el ancho de banda.

Pese a ello, estos se caracterizan por que funcionan mucho mejor como paso alto, “High Pass Filter” o “H-Pass Filter”.

^{“Referencia para el calculo del diseño eléctrico de un T-Match”}

L-Match

Este tipo de “matching” se compone de una bobina variable en serie y un condensador variable en paralelo. Se suele usar para acoplar una antena de alta impedancia con el circuito de baja impedancia en PCB.

Es importante de anotar, que esta serie de filtros trabajan mejor con paso bajo, “Low Pass Filter” o “L-Pass Filter”.

^{“Referencia para el calculo del diseño eléctrico de un L-Match”}

Pi-Match

El Pi-Match es el “matching” más versátil para el acoplamiento de antena con PCB o antena en PCB junto con el T-Match, dado que se puede pasar de uno a otro haciendo una conversión triangulo-estrella, dado que de impedancias se tratan. O bien, en un filtro en L, forzando uno de los condensadores que lo forman a un valor de 0.

Este filtro se compone de una bobina en serie con dos condensadores en paralelo entre ambos extremos de la bobina, de hay la forma característica de la letra “∏ “.

^{“Referencia para el calculo del diseño eléctrico de un Pi-Match”}

Para aplicar las formulas de calculo de los “matching”, es preciso conocer el valor de la impedancia compleja tanto a la entrada como a la salida, y el ancho de banda en el que deseemos trabajar.

La carta de Smith.

Ahora que conocemos los distintos tipos de acoplamientos, con ayuda de un analizador de redes, podemos conocer en la carta de Smith tanto su valor en impedancia, al igual que en ganancia, el valor del SWR, y su respuesta en frecuencia.

De esta manera, con los valores de impedancia de entrada y salida de nuestro equipo en el valor en frecuencia deseado, podremos calcular los valores de los condensadores y bobinas, y por ultimo, comprobar de nuevo como se comportan para la aplicación deseada y conseguir esos tan queridos 50 ohm en nuestra antena. 

^{“Barrido en diagrama de Smith centrado de 2.45 GHz de 1GHz de amplitud de barrido”}

Este tipo de filtros pueden trabajar para un acoplamiento del circuito RF diseñado con la antena, ya sea externa o en PCB, o bien, también se pueden usar para filtrar ruido en líneas de alimentación, ruido en señales telefónicas cableadas o amplificadores de audio.

Con estas técnicas de acoplamiento de antenas, ya podremos embarcarnos en proyectos de IOTs donde podremos amplificar y ajustar todas esas potencias y frecuencias de emisión de todas las nuevas tecnologías a lo largo del espectro electromagnético como puede ser LoRa, Sigfox o LTE-NBIOT.