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Tamaño, ganancia y ancho de banda no se pueden optimizar en la misma solución

Personalización y optimización de antenas con la nueva ciencia de los materiales y técnicas de producción

Martin Keenan, director técnico de Avnet Abacus09/10/2017
En un mundo cada vez más conectado, aumenta la demanda de mejora de rendimiento en las antenas. Con los dispositivos inalámbricos en constante proceso de ‘adelgazamiento’, los tamaños y los pesos permisibles de las antenas también están disminuyendo rápidamente. Al mismo tiempo, crece la necesidad de reducir el consumo de energía, ya que los dispositivos alimentados por batería pueden funcionar más tiempo entre cargas.

Esta demanda de prestaciones también tiene que encontrar su balance con el coste y, por supuesto, con los límites impuestos por las leyes de la física, que hacen que el diseño de una antena se convierta en una solución intermedia entre los atributos de rendimiento.

El aspecto más importante que rige el diseño de una antena pequeña es la relación entre tamaño, ganancia y ancho de banda; si bien es posible optimizar un diseño para cualquiera de estos parámetros, las compensaciones son esenciales y habrá que realizar un balance, ya que los tres aspectos no se pueden optimizar en la misma solución. Por ejemplo, si aumentamos el ancho de banda (bajando el factor de calidad, Q), la antena tendría que tener mayor tamaño. Y si reducimos la ganancia (y, en consecuencia, la eficiencia), podemos incrementar el ancho de banda y lo demás.

Los fabricantes han intentado ‘hacer excepciones’ de muy diversas maneras, como la integración de múltiples antenas en un mismo encapsulado para ahorrar espacio. De este modo, se consigue contar con componentes más compactos, ligeros y económicos a expensas de la eficiencia y el consumo de energía. Las antenas sintonizables son otra alternativa – si sólo se necesita cubrir una determinada parte de la banda en un determinado momento, es posible fabricar un modelo de banda estrecha con un menor formato y sintonización dinámica en la frecuencia requerida. Sin embargo, una vez más, el consumo de energía se verá afectado.

Las últimas técnicas para optimizar el tamaño y el ancho de banda y mantener el consumo incluyen el desarrollo de nuevos materiales de mayor permitividad (constante dieléctrica) y diseños que usen formas 3D y metalización de baja pérdida.

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Martin Keenan, director técnico de Avnet Abacus.

Materiales a medida

Un material de sustrato de antena tiene un gran efecto en su rendimiento. Si la permitividad y la permeabilidad de dicho material pueden aumentar (quizás usando nuevos elementos cerámicos robustos especialmente diseñados), es posible conseguir más ancho de banda en menos volumen. Y si la permitividad del material puede variar a lo largo de su volumen, también es posible usarlo para precisar la frecuencia de la forma de onda, otra forma de ‘burlar’ las restricciones físicas y construir componentes más delgados.

Los materiales compuestos a medida de TE Connectivity suelen ser la combinación de un polímero, elegido por sus propiedades de procesamiento (mecánicas, químicas y térmicas), y de un material de relleno de óxido metálico, que es el responsable de las propiedades dieléctricas. Estos materiales de relleno han sido creados específicamente para tener la máxima permitividad posible.

A la hora de construir antenas personalizadas, se seleccionan los materiales adecuados y sus proporciones relativas para dotar del rendimiento deseado. Entonces, los dos materiales se pueden mezclar para crear el sustrato, revolviendo las partículas de relleno en el polímero derretido, laminando los materiales en capas alternas o, incluso, mediante impresión 3D para producir formas ‘exóticas’.

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La combinación correcta de materiales y técnicas permite construir antenas que rompan los límites de tamaño, ganancia y ancho de banda para la próxima generación de productos electrónicos conectados.

Metalización

Además del sustrato, la metalización de las antenas también tiene efecto en las prestaciones. Hay tres técnicas que son las más utilizadas para este fin.

Las antenas metálicas formadas se realizan mediante el estampado y el curvado de una hoja metálica para conseguir dispositivos de alta conductividad y elevado rendimiento. Sin embargo, este método no puede crear las formas 3D requeridas en diseños más complejos. La revisión del diseño puede ser costosa, ya que se necesitarían nuevas herramientas cada vez.

Las antenas MID (moulded interconnect device – dispositivo de interconexión moldeado) confían en láminas metálicas en un portador a la hora de formar una superficie conductiva. Existen varias maneras de hacerlo. El sustrato sólo se tiene que moldear, con un catalizador que permite situar la lámina en una determinada zona a través de un moldeado de dos disparos. Este moldeado crea antenas de alta conductividad, aunque se requiere una estampación en seco para obtener el molde.

Una alternativa al moldeado en la estructuración directa por láser (Laser Direct Structuring - LDS), que usa un sustrato que contiene el catalizador de la lámina. El catalizador se activa en el plástico vía láser en las áreas específicas donde se necesita la metalización, por lo que la antena toma su forma durante el chapado. Este método es un proceso totalmente digital: al usar la salida de programas CAD elimina la necesidad de la estampación en seco. No obstante, la incorporación del catalizador a la resina implica un coste extra.

Las 'tintas' conductivas de impresión en patrones predefinidos son otra técnica de metalización y se pueden emplear con una amplia variedad de materiales de sustrato. Las tintas son partículas de plata, estaño o cobre mezcladas con un solvente o aglutinante orgánico, por lo que la conductividad suele ser menor que en metales formados o chapados. Sin embargo, la fórmula y el grosor de la tinta se pueden personalizar en función de los requisitos de conductividad, adhesión y estabilidad ambiental.

El método de impresión más sencillo es el estampado serigráfico que, a pesar de necesitar algún tipo de estampación en seco, conlleva bajo coste. Tiene la capacidad de trabajar con tamaños desde 50 µm, con un grosor de 10 – 30 µm. La tampografía, esencialmente con sellos de goma, puede producir capas más delgadas, en tanto que la impresión con inyección de tinta controlada por ordenador se puede utilizar en formas 2D o 3D a expensas del grosor.

La combinación correcta de materiales y técnicas permite construir antenas que rompan los límites de tamaño, ganancia y ancho de banda para la próxima generación de productos electrónicos conectados. TE Connectivity posee muchos años de experiencia en el diseño y la optimización de materiales de sustrato y técnicas de producción que fomentan la llegada de antenas innovadoras a medida.

Si usted está interesado en conocer las opciones disponibles: visite el apartado 'Pregunte al Experto' de la web de Avnet Abacus, donde podrá ponerse en contacto con ingenieros de aplicaciones de campo (FAE).

Las últimas técnicas para optimizar el tamaño y el ancho de banda y mantener el consumo de las antenas incluyen el desarrollo de nuevos materiales de mayor permitividad (constante dieléctrica) y diseños que usen formas 3D y metalización de baja pérdida

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