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Según un informe reciente de Transparency Market Research, el mercado de dispositivos médicos de IoT experimentará un aumento en 2026. Estos dispositivos pueden abarcar "dispositivos de monitoreo de signos vitales, sistemas de imágenes, dispositivos respiratorios, dispositivos cardíacos implantables, dispositivos de infusión, máquinas de anestesia, neurología dispositivos, audífonos, dispositivos de monitoreo fetal y ventiladores ".
Con este aumento de perspectiva, los diseñadores de la industria de dispositivos médicos pueden notar importantes innovaciones de hardware, incluso en los niveles pasivos. Por ejemplo, el fabricante pasivo Abracon actualizó recientemente su selección de antenas de resonador dieléctrico, afirmando su compromiso con las soluciones para dispositivos médicos de IoT.

La guía de selección de chips de Abracon cubre múltiples clasificaciones, incluidas Wi-Fi, celular y médica. Imagen utilizada por cortesía de Abracon.

Comúnmente conocidas como antenas de chip debido a su pequeño tamaño (tan pequeñas como 2 mm x 1,25 mm), las antenas de resonador dieléctrico ofrecen ciertos beneficios sobre las antenas de PCB impresas planas. En este artículo, compararemos los dos y discutiremos cómo cada uno puede desempeñar un papel en un panorama integrado en evolución.

Beneficios de diseño de las antenas tipo chip y PIFA

Tanto las antenas de chip como las antenas planas de F invertida (PIFA) tienen sus propias complejidades de diseño que requerirán la experiencia de un diseñador de RF para navegar.
Las antenas de chip se pueden sintonizar con éxito con una red pasiva de componentes inductores y condensadores, produciendo un sistema transceptor bien adaptado. Comparativamente, los PIFA requieren una simulación significativamente mayor y potencialmente vueltas adicionales de la placa para sintonizar de manera óptima la cadena de RF.
Varias otras consideraciones prácticas para seleccionar una antena de chip incluyen la frecuencia operativa con frecuencias más bajas que hacen potencialmente insostenibles las estructuras PIFA y los espacios libres del plano de tierra dictan las limitaciones de espacio en el resto de la PCB.

¿Qué parámetros determinan las geometrías de la antena?

Los dispositivos de IoT varían en su aplicación y los requisitos de diseño de RF, como el patrón de antena, la ganancia y la directividad, varían según el caso de uso.

Tanto las antenas PIFA como las de chip poseen un patrón de antena omnidireccional, que es ideal debido a la naturaleza móvil de un dispositivo IoT. Imagen (modificada) utilizada por cortesía de 5G Technology World

La polarización de la antena (ya sea vertical, horizontal o circular) afecta fuertemente la recepción de potencia. Un patrón omnidireccional genera energía en una "dona" uniforme, lo que permite que tanto el receptor como el transmisor estén en varios ángulos incidentes entre sí.
Otro parámetro, la permitividad (también llamada constante dieléctrica), tiene un gran impacto en la determinación de cuáles son las dimensiones finales para coincidir con un cuarto de longitud de onda. La longitud de onda es inversamente proporcional a la constante dieléctrica para una frecuencia dada.

Las restricciones de tamaño de diseño de PCB se pueden aliviar considerablemente con una pequeña antena de chip de cerámica en comparación con una monopolo o PIFA. Imagen utilizada por cortesía de Abracon.

Cuando se imprime en FR4 con una constante dieléctrica de 4.4, un monopolo impreso medirá ~ 23 mm de longitud. Sin embargo, las antenas de chip cerámico tienen constantes dieléctricas significativamente más altas que permiten geometrías mucho más pequeñas y pérdidas potencialmente menores a frecuencias muy altas.

Consideraciones de la antena: factor de forma, frecuencia y rango

Usando el monitor de presión arterial Blumio como ejemplo, un diseñador debe sopesar las consideraciones de costo y frecuencia de operación con el tamaño del factor de forma fijo del dispositivo portátil y el rango inalámbrico entre el transmisor y el receptor.

El kit de desarrollo de monitoreo de presión arterial basado en radar Blumio, conectado de forma nativa al equipo de medición, puede diseñarse para incluir capacidad inalámbrica. Imagen utilizada cortesía de Blumio

Un escenario de diseño podría desarrollarse de la siguiente manera: se amplía un kit de desarrollo para incluir capacidad inalámbrica, que se comunicará con una estación de monitoreo de signos vitales cerca del paciente. Dado que el dispositivo y su receptor están ubicados en el mismo lugar, un diseñador puede seleccionar una frecuencia operativa en la región MBAN (2360 GHz a 2400 GHz). Debido a la mayor frecuencia de operación, múltiples estructuras de antenas se convierten en contendientes viables.
Se debe realizar una compensación de costos entre el costo de ingeniería no recurrente (NRE) para desarrollar un PIFA bien ajustado y el costo de producción a gran escala asociado con los componentes pasivos adicionales necesarios para una red coincidente y la antena de chip.
Profundizando en esta conversación, el diseñador también debe abordar el mercado final. Se puede tolerar un mayor costo de producción en una ejecución más pequeña, por ejemplo, una familia de productos de orientación médica (pro: antena de chip); sin embargo, una familia de productos comerciales destinada a venderse en millones de unidades se beneficiaría de una lista de materiales más pequeña (pro: PIFA).

Reflexiones finales sobre los parámetros de la antena en competencia

Las antenas de chip, como las antenas de PCB planas, tienen ventajas y desventajas que afectan el proceso de diseño. Hay consideraciones más allá de los parámetros de RF de selectividad, sensibilidad, eficiencia y rendimiento a tener en cuenta también.
Algunas de estas consideraciones incluyen la experiencia de las casas de diseño en RF, el volumen de producción de la aplicación y las limitaciones de la geometría de la antena debido a factores de forma, entre otros.

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Elegir una estructura de antena para diseños de IoT médicos minúsculos puede ser un proceso desafiante. Si ha trabajado recientemente en un proyecto de este tipo, ¿qué opciones consideró? Háganos saber en los comentarios a continuación.