Integración de interfaces wifi en cualquier aplicación

Debido al incremento de las aplicaciones de IoT y la descentralización de los controles, muchos diseñadores se enfrentan al desafío de integrar conexiones inalámbricas para la comunicación de datos entre el dispositivo periférico -por ejemplo, un sensor- y el controlador central. Las ventajas son evidentes: no es necesario preocuparse por el aislamiento galvánico o por realizar cableados. La conexión inalámbrica requiere una "óptima calidad" para asegurar una comunicación segura, incluso en entornos con muchas interferencias. Una conexión wifi de alta calidad requiere un diseño adecuado para radiofrecuencia, que satisfaga los requisitos de EMC y de integridad de la señal. El diseño de la interfaz de la antena, que expondremos a continuación, incluye la circuitería, los componentes, la posición y la integración de sistemas.

Los controladores wifi funcionan de manera digital y no solo generan las señales requeridas en la salida de transmisión (puerto Tx), sino también interferencias. También causan interferencias los desajustes en la línea de transmisión que, idealmente, debería tener una impedancia de 50 Ω desde la salida del controlador hasta la antena, incluida esta. Para reducir la interferencia de armónicos y mejorar la adaptación a 50 Ω, se suelen usar filtros y redes de adaptación en las líneas de transmisión y recepción de la interfaz wifi. Los sistemas de transmisión se adaptan entre sí en el rango de frecuencia de trabajo asegurando la mejor transmisión en todo el ancho de banda. También es necesario realizar un ajuste preciso de la impedancia del sistema, que incluya la fuente de la señal, la línea de transmisión, el filtro y el receptor de señales, con el fin de evitar reflexiones y optimizar la línea de transmisión en el rango de frecuencias deseado. Aunque la longitud de la línea de transmisión supere el valor crítico, no deben producirse reflexiones en la línea para el rango de frecuencias ajustado. La impedancia requerida de la línea se puede conseguir diseñando cuidadosamente la geometría de la línea, calculando las dimensiones y sus propiedades. Para este fin, existe un software de diseño potente que va más allá del ámbito de este documento.

En un circuito, los distintos componentes tales como condensadores, inductores y resistencias generan una combinación de distintas impedancias. En consecuencia, es crucial centrarse en las propiedades más importantes de los componentes a la hora de usar componentes en los filtros para frecuencias superiores a 500 MHz.

Únicamente ciertos tipos de condensadores son adecuados para las aplicaciones de alta frecuencia. Un ejemplo serían los condensadores de la serie WCAP-CSRF (N.º 885392005010). Sus parámetros eléctricos incluidos en la hoja de especificaciones se muestran en la Fig. 1 con las características correspondientes de frecuencia de resonancia, ESR, el derating de tensión y el derating en temperatura. Estos se pueden evaluar en la plataforma de simulación online 'REDEXPERT' (redexpert.we-online.com).

La frecuencia de resonancia del condensador está por los 3 GHz, la resistencia serie equivalente (ESR) es mínima para la frecuencia de resonancia y tanto la variación de tensión como la variación en temperatura son insignificantes. Teniendo un factor Q alto, por encima de 460, presenta una inductancia parásita de 0,3 nH a la frecuencia de resonancia de 3 GHz, lo cual sería tolerable para la mayoría de las aplicaciones. Estos valores son críticos para wifi, Bluetooth y otras aplicaciones que operan en el rango de GHz.

Los inductores sin núcleo de ferrita son comunes para la adaptación de impedancias en antenas, al igual que lo son los inductores con núcleo de ferrita para los filtros EMC. Para los inductores con núcleo de ferrita, el material de ferrita debe seleccionarse cuidadosamente sobre la base de las curvas de impedancia.

Para la aplicación de adaptación de impedancias en antenas con bajas pérdidas, o una aplicación de radiofrecuencia similar, los inductores de la serie WE-KI son los más adecuados. Para lograr frecuencias de gran calidad y alta resonancia, los devanados de estos componentes son de cerámica (tabla 1).

En la figura 2 se muestra un control IoT con una interfaz wifi a modo de ejemplo. La distancia de emisión posible que alcanza un emisor limitado, tal como el transceptor, depende en gran medida del diseño de la antena, la envolvente y el diseño de la placa de circuito impreso. Suele pasar que los datos de rendimiento de radiofrecuencia de los circuitos que usan el mismo chipset y alimentación, pero con un formato y un diseño de antena distinto, varíen enormemente. En la práctica, la mayoría de los equipos incluyen un chip transceptor que combina funciones de transmisión y recepción. Naturalmente, esto implica que la adaptación de la antena, los cables de alimentación y la propia antena se usen tanto para transmitir como para recibir. El canal de recepción, generalmente, tiene un amplio rango dinámico, con una sensibilidad de > 95 dB y una sensibilidad de 3-4 dB menor en la antena. Los ajustes de ganancia pueden compensar las pérdidas debidas a desajustes.

No obstante, la operación de transmisión es crítica, porque una sensibilidad de 3 dB menor en la antena, o pérdidas de más de 3 dB en la línea entre la etapa de salida y la antena, requieren el doble de potencia en el transmisor. Si el chip Tx puede generar la potencia de transmisión, inevitablemente se producirá un mayor consumo de corriente y mayores interferencias en la señal de transmisión y, posiblemente, incluso aumenten los problemas de EMC. No obstante, debe observarse el máximo nivel de transmisión permitido de acuerdo con las directivas de EMC. Dado que la ley regula el máximo nivel de transmisión, es aún más importante desarrollar un sistema bien ajustado en el lado receptor que funcione con la mínima intensidad de señal recibida. Conviene indicar que el fabricante del chip transceptor o del módulo de comunicación suele identificar las antenas más adecuadas en sus especificaciones. De este modo se asegura el cumplimiento de los estándares aplicables de la directiva RED 2014/53/UE, teniendo en cuenta la aplicación. ¡Si se usan otras antenas o no se sigue el diseño recomendado, se generarán otros comportamientos a nivel de radiofrecuencia!

Las antenas de chip de cerámica ofrecen varias ventajas. Son pequeñas y, por tanto, están menos expuestas a las interferencias electromagnéticas de componentes cercanos. Pueden implementarse fácilmente cambios en el diseño de la placa o el formato, sin simulación. La antena se puede modificar fácilmente o incluso sustituir por otra diferente. Las aplicaciones para móviles y de alta frecuencia, tales como el GPS o las de 2.4 GHz suelen usar antenas de chip. La figura 3 muestra varias antenas de chip multicapa WE-MCA adecuadas para conexiones wifi.

Cuando la impedancia de la fuente es igual a la impedancia de la carga, se transmite la máxima potencia. Es decir, que la fuente es el transmisor (etapa de salida del transmisor) con su impedancia Z_T, que alimenta una línea con una impedancia Z_L = Z_T. La potencia se transmite a la antena con una impedancia ZA, que, preferiblemente, debería ser la misma que en la línea y en la fuente. Cuando todas las impedancias tienen los mismos valores, el resultado es la máxima potencia. Si la adaptación no es perfecta, el transceptor envía una señal de amplitud VIN a la línea de transmisión y solo llega a la antena una parte de esa señal. El resto de la señal vuelve reflejada desde las transiciones entre el emisor y la línea, por una parte, y entre la línea y la antena, por otra.

Este desajuste puede reducirse considerablemente insertando una red de adaptación, generalmente una red en Π, T, LL o LC. Los valores de capacidad e inductancia de la red están en los rangos de pF y nH. Resulta útil contar con componentes de valores que van de 0,5 pF a 20 pF y de 0,5 nH a 20 nH disponibles para la adaptación. En consecuencia, es necesario incluir ubicaciones para la adaptación de la antena en el diseño de la interfaz wifi. En la figura 4 se observa el diagrama de circuito y la sección correspondiente de la placa.

El diseño y la ubicación de los componentes L/C y la antena de chip sobre la placa de circuito impreso son críticos: los componentes para la adaptación deben estar lo más cerca posible de la antena o de la conexión de la antena. La posición de la antena, el tamaño del área en torno a la antena y la distancia entre la antena y el plano de tierra de referencia afectan a la impedancia y la frecuencia de resonancia de la antena.

En este ejemplo, la antena está situada en la esquina de la placa. De este modo, no está rodeada por otros componentes y se obtiene un buen rendimiento (Fig. 5.). La pista del circuito de la antena debe considerarse como parte del sistema de la antena. El área marginal en torno a la sección de la antena, los planos de tierra, están en las cuatro capas del PCB. Con ello se asegura un plano de tierra de referencia estable para la antena. La longitud del circuito que alimenta la antena y la longitud y la anchura del plano de tierra influyen en que el sistema funcione como dipolo o como monopolo. Si el plano de tierra tiene unos 3 - 4 cm de longitud y 1 - 2 cm de anchura, el sistema funcionará como dipolo; si el plano de tierra es mayor, el sistema funcionará como antena monopolo.

El estudio de caso de ejemplo examina la adaptación de la antena de chip multicapa WE-MCA (n.º 7488910245) para lograr la máxima transmisión de potencia. Un analizador de red permite medir la adaptación. La señal medida es la atenuación de la reflexión S11. Debido a las distintas impedancias entre el transceptor y la antena, parte de la señal procedente del transmisor se refleja en la línea de la señal. Dado que la impedancia de la pista suele ser dependiente de la frecuencia, la reflexión también lo es. Cuanto menores sean las diferencias de impedancia en el rango de frecuencia de transmisión, menores serán las reflexiones. Con los valores que se muestran en el circuito de la Figura 4, se puede lograr una atenuación de la reflexión de 29 dB, logrando una relación de onda estacionaria de voltaje (VSWR) de 1,06. La Fig. 6 muestra la atenuación de la reflexión en función de la frecuencia.

Si necesita ayuda con la adaptación de la antena, Würth Elektronik ofrece un servicio de adaptación de antenas además de los componentes arriba mencionados.

Familia Calypso.

Facilidad para la implementación de wifi o la integración de la función wifi

Existe una solución para los diseñadores que no desean enfrentarse a la implementación del wifi, en forma de módulos de radio ya prefabricados. Por ejemplo, la gama de módulos inalámbricos de Würth Elektronik incluye el módulo wifi Calypso (2610011025000). Este módulo wifi independiente y totalmente equipado cumple los estándares IEEE 802.11b/g/n y opera en el rango de 2,4 GHz. Gracias a su diseño compacto de 19 x 27,5 x 4 mm, ocupa poco espacio en la placa. Una interfaz UART de alta velocidad transmite datos a hasta 3 Mbit/s - ya sea mediante comandos AT o como puente serie-a-wifi en forma de transmisión transparente de datos. Aunque el módulo ya incluye una antena para la placa de circuito impreso, se puede añadir una antena externa en caso necesario. Un stack con protocolo TCP/IP integrado y MQTT permiten una puesta en servicio rápida y sencilla. Además, el módulo es compatible con WPA3™, la tecnología de seguridad para wifi más moderna disponible. Un compromiso entre latencia y consumo de potencia es el Power Safe Mode, que mantiene una conexión wifi y una conexión activa consumiendo menos de 2 mA de corriente. Los elementos y protocolos integrados en Calypso aseguran la compatibilidad con la mayoría de los proveedores en la nube, por lo que es idóneo para aplicaciones y proyectos de IoT.

Para obtener más información sobre el módulo de wifi Calypso, visite: we-online.com/calypso

Dr.-Ing. Heinz Zenkner

Dr. Zenkner trabaja como profesional independiente en Würth Elektronik y está especializado en marketing técnico e ingeniería de aplicaciones. Como profesor de la asignatura de EMC en la Academia Técnica y experto jurado y reconocido públicamente en materia de EMC, es un colaborador habitual y autorizado en varios libros y revistas técnicos. Además, ha trabajado como profesor en varias universidades y en la Cámara de Industria y Comercio y ha participado y dirigido numerosos seminarios.