Conceptos básicos sobre los balances de los enlaces y las cadenas de señales de RF

Por lo general, los dispositivos de IoT instalados sobre el terreno tendrán dos formas de comunicarse entre sí: por cable o de forma inalámbrica. En la comunicación inalámbrica, hay una cantidad utilizada para describir cuánta energía llega a un receptor inalámbrico: el balance de enlace. En un sistema inalámbrico que conecta dos dispositivos, el balance de enlace tiene como objetivo tomar en consideración todas las fuentes de ganancia y pérdida que afectarán al suministro de energía a una antena receptora. Si vas a diseñar un dispositivo IoT inalámbrico y sabes cómo calcular el balance de enlace, puedes calcular razonablemente bien si tu señal llegará a su destino y si el receptor la leerá.

Para calcular el balance de enlace, el diseñador necesita información sobre todas las demás fuentes de ganancias y pérdidas del sistema. Una vez que se determina el balance de enlace, el diseñador puede juzgar si es necesaria alguna modificación en su cadena de señales de RF. Dichas modificaciones podrían comprender el intercambiar conjuntos de materiales, rediseñar un stackup o apilado para reducir la pérdida, añadir amplificadores y filtros, o modificar elementos existentes en la cadena de señales.

Para ayudarte a determinar el balance de enlace de tu sistema y si tu cadena de señales de RF necesita una actualización, te indico tres herramientas en este artículo:

• La fórmula para el balance de enlace.
• Una calculadora de balances de enlace.
• La fórmula para la pérdida de trayectoria en el espacio libre.

Con estas herramientas, puedes calcular el balance de tu enlace y determinar si se necesitan componentes adicionales a lo largo de tu cadena de señales de RF. Conocer el balance de enlace y comparar la energía recibida con la sensibilidad del receptor también ayudará a los diseñadores a determinar si su cadena de señales necesita modificaciones. En esta guía describiré las posibles modificaciones que tu sistema podría necesitar.

¿Qué es el balance de enlace para un sistema de RF?

El balance de enlace en un sistema de RF ofrece una estimación de la potencia que se esperaría que llegara a un receptor dadas todas las posibles fuentes de ganancia y pérdida a lo largo de un enlace inalámbrico. A continuación, se muestra la topología de un sistema de RF con su balance de enlace:

A lo largo del enlace, puede haber amplificación (integrada en el transmisor/receptor o colocada como componente externo) y habrá pérdidas debidas a los materiales y a otros componentes utilizados en el sistema de RF. El cálculo del balance de enlace tiene como objetivo tomar en consideración estas pérdidas y ganancias en el sistema a medida que se transmite una señal a un dispositivo receptor.

Definición de balance de enlace

El balance de enlace en un sistema inalámbrico se define con la siguiente fórmula:

En esta fórmula, las pérdidas tienen un signo negativo, por lo que una pérdida se colocaría en esta fórmula como un valor de decibelios positivo. Los distintos términos de esta fórmula se definen de la siguiente manera:

• P_t: Salida de alimentación del transmisor o la potencia equivalente que se irradia isotrópicamente sin ganancia de antena/amplificador.
• G _t: Ganancia del transmisor, teniendo en cuenta la ganancia de la antena y cualquier ganancia del amplificador.
• L _t: Pérdida en la cadena de señales en el lado del transmisor.
• L_fs: Pérdida de trayectoria en el espacio libre o pérdida de energía durante la propagación entre las antenas de transmisión y recepción.
• L_m: Pérdidas diversas o cualquier otra pérdida no incluida en esta fórmula.
• G _r: Ganancia del receptor, teniendo en cuenta la ganancia de la antena y cualquier ganancia del amplificador.
• L_r: Pérdida en la cadena de señales en el lado del receptor.

La potencia del transmisor es la potencia de salida a la cadena de señales en el sistema de transmisión. Una vez que la señal comienza a propagarse en la PCB y a la antena transmisora, podría experimentar cualquiera de los mecanismos de pérdida estándar a lo largo de la interconexión.

Pérdida de trayectoria en el espacio libre

La pérdida de trayectoria en el espacio libre (L_fs) mencionada anteriormente define la pérdida esperada a lo largo de la trayectoria de propagación entre las dos antenas de los dispositivos de transmisión y recepción. La pérdida de trayectoria en el aire depende de la frecuencia y la distancia entre los dos dispositivos:

Los términos de esta fórmula se definen así:

• FSPL: Pérdida de trayectoria en el espacio libre, medida en dB.
• d: Distancia de línea de visión entre el transmisor y el receptor, medida en km.
• f: Frecuencia de la portadora de la señal transmitida, medida en MHz.

Esta fórmula no tiene en cuenta factores importantes en la propagación, como la absorción o dispersión de pérdidas a través del aire ni la presencia de obstáculos a lo largo de la trayectoria de propagación (como, por ejemplo, edificios). Estos factores pueden aumentar significativamente la pérdida en el espacio libre.

Calculadora de balances de enlace

Para obtener una estimación rápida y sencilla del balance de enlace de un sistema, he creado la siguiente calculadora que incluye todos los factores de pérdidas en un enlace típico entre dos dispositivos. Esta calculadora devuelve la intensidad estimada de la señal que llega al receptor en dBm. La salida de potencia indicada aquí sigue la definición dada anteriormente: se refiere a la potencia que recibe la antena y que se habría radiado isotrópicamente (con ganancia de antena = 0 dBi), pero que en cambio podría enfocarse con una antena direccional. Recuerda que la ganancia de la antena es direccional, por lo que el cálculo solo será válido en determinadas direcciones.

La calculadora utiliza la convención del signo positivo, tal y como se define en la fórmula mostrada anteriormente.

El resultado puede compararse con el grado de sensibilidad del receptor. Si el resultado calculado es menor que la sensibilidad del receptor, se deben reducir las pérdidas en el sistema, las ganancias deben aumentarse o los dispositivos deben acercarse.

Cómo aumentar el balance de enlace

Cuando se comprueba que el valor del balance del enlace del sistema calculado anteriormente es demasiado bajo, es necesario aumentarlo para que el receptor del dispositivo pueda leer la señal recibida. La forma más sencilla de aumentar la potencia detectada en el receptor es haciendo cambios en el diseño de la PCB y en el front-end de RF:

• Aplicar amplificación entre el transmisor y la antena (o entre la antena y el receptor).
• Usar materiales con menor pérdida.
• Utilizar una antena con mayor ganancia (directividad).
• Acercar los dispositivos (reducir d).
• Cambiar el stackup o apilado para reducir las pérdidas en las líneas de impedancia controlada.

Algunos diseñadores empezarán por intentar disminuir las pérdidas en la PCB utilizando un material con menos pérdidas. En rangos de frecuencias inferiores a los GHz, la pérdida por los materiales ya será muy pequeña (tanto por los dieléctricos como por el cobre, tal y como he demostrado en este artículo sobre la rugosidad del cobre). A frecuencias más altas (por encima de los 5 GHz), los materiales de baja pérdida (tanto de cobre como dieléctricos) pueden tener un efecto sustancial en la disminución de las pérdidas en la cadena de señales de RF.

Amplificación del lado de la transmisión

Hay una tendencia en algunas aplicaciones de RF a simplemente aceptar la amplificación integrada en el dispositivo de transmisión. Estos dispositivos tienen un amplificador de potencia integrado que establece la salida de potencia como el valor suministrado en la hoja de datos del componente. Estos amplificadores suelen funcionar cerca de la saturación y puede haber algún contenido armónico con productos de intermodulación presentes en la señal. Al diseñar una cadena de señales, se puede colocar un amplificador en esta que proporcione una amplificación adicional a lo largo de la trayectoria de la señal aumentando así la cantidad de potencia enviada a la antena.

En el lado de la transmisión, dado que el transmisor tiene una alta potencia de salida, una señal de banda ancha alimentada en un amplificador de potencia puede hacer que el amplificador funcione cerca del nivel de saturación. El resultado es la generación de productos de intermodulación, que ocurrirá cuando la función de transferencia del amplificador empiece a funcionar de forma no lineal. Este es un problema en las señales de frecuencia modulada, pero también ocurre en las señales de banda ancha en general. A continuación, se indica un ejemplo que muestra la generación de productos de intermodulación para una señal de frecuencia modulada:

El problema con estos picos es que son difíciles de filtrar y pueden aumentar más rápido que la señal principal. Esto se ilustra en la curva de transferencia típica del amplificador de potencia que se muestra a continuación. Para evitar esta generación de productos de intermodulación, normalmente establecemos el punto de compresión de 1 dB como el límite para la potencia de entrada (en dBm) en un amplificador de potencia. 

• Más información sobre cómo interactúan las señales armónicas con los circuitos y dispositivos no lineales

Amplificación en el lado de la recepción

En la descripción anterior, me he centrado en la amplificación del lado de la transmisión, pero también podrías aplicar la amplificación en el lado de la recepción. Esto requeriría colocar un amplificador de bajo ruido (LNA) en la ruta de la señal que esté sintonizado con la frecuencia de funcionamiento y que tenga suficiente ancho de banda como para amplificar uniformemente toda la señal. Mientras la señal en la cadena de señales del receptor sea lo suficientemente intensa, se puede detectar por encima del umbral de ruido del sistema.

En el lado del receptor, es mucho menos probable que se use el amplificador o la entrada del receptor cerca de la saturación, simplemente porque no necesitas hacerlo. Hay dos razones para esto:

1. La potencia de la señal en el lado de la recepción probablemente sea muy baja, por lo que deberías intentar aplicar primero amplificación. Esto significa que es menos probable que el LNA funcione a saturación.
2. La señal en el lado de la recepción no requiere una ganancia enorme. Solo necesita tener la ganancia suficiente para superar el umbral de sensibilidad del receptor.

Si puedes superar el umbral de sensibilidad del receptor en el requisito de distancia especificado, entonces habrás aplicado la ganancia suficiente. Sin embargo, debes equilibrar esto con la especificación máxima de entrada del receptor, porque esta te indicará cuándo empieza a saturarse la entrada del receptor. Si la amplificación del receptor es demasiado alta, ¡tendrás que cumplir con un requisito de distancia mínima! Equilibra la amplificación lateral de recepción con cuidado, ya que puede provocar que un sistema funcione incorrectamente.

A frecuencias altas (>5-10 GHz) utiliza pistas más anchas, de 50 ohmios

Una opción para reducir las pérdidas es aplicar cambios a la acumulación para que se puedan reducir las pérdidas de la línea de transmisión. Si aumentas ligeramente el grosor del dieléctrico externo, esto te obligaría a aumentar el ancho de la línea, lo que reducirá las pérdidas de CC y de efecto de piel a altas frecuencias. Esto también es adecuado por encima de ~5-10 GHz y la reducción de pérdidas será considerable a frecuencias muy altas que alcancen el rango de ondas milimétricas. Esta estrategia podría utilizarse con un diseño de stackup híbrido que utilice materiales de PTFE de baja pérdida para reducir las pérdidas de manera significativa.

• Más información sobre los stackups híbridos con dieléctricos exteriores gruesos.

Si todo lo demás falla, cambia la distancia

Eventualmente, se habrán aplicado todas las mejoras posibles en los dispositivos de la cadena de señales y los dos dispositivos simplemente no podrán funcionar a la distancia deseada, dadas sus capacidades operativas. En este caso, tendrás que reducir la distancia entre los dos dispositivos, ya que esto reducirá la pérdida de trayectoria en el espacio libre. Si consigues hacerte con receptores más sensibles, amplificadores de mayor saturación y antenas de mayor directividad, podrás seguir aumentando la distancia entre los dispositivos.

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