Omega

Antena de alta sensibilidad y buen rendimiento para nodos Mesh fijos o móviles.

En la foto superior vemos varias unidades del último desarrollo de antena gestado en nuestro laboratorio. Las antenas con banda roja son para la banda de 433 MHz y las de banda amarilla son para la banda de 868 MHz, con conectores N y SMA, respectivamente. A la izquierda, para comparar, tenemos la típica antenilla miniatura de goma que suelen incorporar de serie los módulos LoRa.

El rendimiento en radio de las antenillas miniatura es marginal. Si optamos por equipar a los módulos LoRa con una antena mas eficiente, a menudo suelen aparecer problemas de sensiblidad debido a la saturación de la etapa receptora del modulo LoRa.

Con el ánimo de reutilizar y mejorar el rendimiento de las antenillas de serie, hemos desarrollado la antena Omega.

Para materializar la Omega hemos adoptado un enfoque poco convencional, en lo que a diseño de antenas se refiere. El objetivo es lograr una antena de elevado rendimiento en transmisión, sin por ello perder sensibilidad de recepción, debido a un incremento exagerado del ruido captado por la antena.

En la Omega empleamos la antenilla original, no como radiante, si no como “lanzador” o excitador del radiante principal.

Podriamos considerar la Omega como dos antenas intimamente acopladas por resonancia mutua, con separación galvánica entre ambas, a la vez que la antena acoplada exterior compone una pseudo-jaula de Faraday para minimizar la captación de ruido por parte de la antena activa interior.

Prescindimos de la funda de goma de la antenilla original y empleamos la antena heliciodal de su interior. Conservamos el conector SMA original, si es el tipo que emplea el módulo LoRa, o bien lo reemplazamos por un conector “N”, mas robusto. Elaboramos una “funda” de material dielectrico de bajas perdidas (idealmente teflon). Esta funda rodea y protege totalmente la antena interior helicoidal, y sirve a la vez de soporte para el tubo o radiante principal exterio. De este modo el tubo radiante permanece flotante, es decir, aislado galvanicamente de la antena y la electronica del nodo, y la antena helicoidal interior queda adecuadamente impermeabilizada.

Para los prototipos hemos empleado poliacetal como dieléctrico, pero el PLA también es una opción viable, por su buen comportamiento ante la RF. Idealmente emplearemos teflon, por su menor factor de disipación a estas frecuencias de radio.

Como tubo exterior radiante hemos empleado aluminio, de 10 y 12 mm de diámetro exterior. Es necesario toquetear un poco (estirando-encogiendo) la antena espiral interior, incluso recortandola, hasta obtener una buena adaptacion de impedancias con el tubo exterior, ya colocado en su lugar. El punto de partida será unas decenas de Mhz por encima de la frecuencia deseada, por que al posicionar el tubo radiante, el punto de resonancia del conjunto descenderá bastante.

Un ajuste fino de la adaptación se logra subiendo o bajando unos milímetros el tubo radiante, fijándolo en esa posición con el adhesivo de nuestra elección.

Estas son las cotas de las piezas adaptadoras y los archivos .STL correspondientes, por si optamos por elaborarlas mediante impresión 3D. Están diseñadas para adaptar al tubo radiante el propio conector SMA de la antenilla original, o emplear un conector N de crimpar. Además permiten colocar un tubo exterior adicional de PVC estandar de 20 mm de diámetro, en caso de necesitar una protección extra contra elementos adversos o facilitar la integración visual del nodo con el entorno.

A modo de ejemplo, este es el adaptador que hemos elaborado para reutilizar la antenilla original con un conector tipo N, de crimpar. Las cotas del conector, y su geometria exterior, pueden variar entre diferentes fabricantes. Sera necesario adaptar las medidas de la pieza para que encaje correctamente con el conector que vayamos a emplear. Un poco de CAD y tema resuelto.

Una vista en 2D con el perfil interior y a continuación, las cotas correspondientes a la mitad del perfil. Si deseas imprimirlo en 3D, aqui tienes el archivo .STL correspondiente:

• Adaptador para conector N y tubo de 12 mm exterior.
• Tubo protector exterior encastrable.

Si queremos acoplar una funda adicional de protección para todo el conjunto, el segundo archivo .STL tiene el modelo para imprimirla.

Bueno, bueno, bueno… ¡que faltaban las medidas del tubo radiante!…

• Banda 433 MHz: tubo aluminio 12 mm DE, 10 mm DI; longitud 320 mm.
• Banda 868 MHz: tubo aluminio 12 mm DE, 10 mm DI; longitud 160 mm.