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Introducción
El concepto de hogar conectado incluye muchos aspectos "inteligentes", como altavoces, termostatos, timbres y cámaras. En este ejemplo se analiza el rendimiento, simulado por el software de simulación XFdtd EM, de una cámara remota genérica que proporciona videovigilancia alrededor de la casa para la supervisión de la seguridad. La cámara está pensada para conectarse a un sistema WiFi que cubre los estándares 802.11 a/b/g/n/ac/ax en frecuencias de 2,4, 5 y 6 GHz e incluye dos antenas conformadas multibanda que transmiten el vídeo de alta resolución.
Diseño y simulación de dispositivos
El diseño genérico de la cámara utiliza dos antenas multibanda conformadas que envuelven la superficie interior de la carcasa de la cámara. Las antenas están diseñadas para proporcionar cobertura a 2,4, 5 y 6 GHz y se pueden ajustar en fase para orientar los patrones de antena y obtener la máxima cobertura. Además de las antenas, hay estructuras de montaje, placas de circuito impreso, chips de imagen de la cámara y el objetivo, que están representados por piezas en bloque en este sencillo modelo. En la figura 1 se muestra una vista CAD tridimensional de la cámara, en la que uno de los elementos de la antena es visible a través de la carcasa translúcida de la cámara. La cámara completa ocupa un espacio de unos 70x70x70 mm. En la figura 2, una vista más detallada de uno de los elementos de la antena muestra la curvatura del elemento para ajustarse a la pared interior de la carcasa de la cámara. La antena se ha sintonizado para proporcionar una pérdida de retorno razonable de menos de -10 dB a las frecuencias deseadas de 2,4, 5 y 6 GHz, como se muestra en la Figura 3. La curvatura de la antena para encajar en la carcasa tiene un impacto significativo en el rendimiento de la antena y hace que el ajuste de la antena en su configuración final sea una necesidad.
Figura 1: Se muestra una vista tridimensional de un dispositivo genérico de cámara remota con los conjuntos de antenas internas parcialmente visibles a través de la cubierta.
Figura 2: Una de las dos antenas multibanda idénticas de la cámara remota.
Figura 3: La pérdida de retorno de la antena multibanda muestra un buen rendimiento a 2,4, 5 y 6 GHz, tal como se deseaba.
Los patrones de ganancia de las antenas tienen cobertura enfocada hacia los lados y hacia delante de la cámara. Los patrones de las dos antenas que funcionan de forma independiente se muestran a 2,4 GHz en la figura 4, a 5 GHz en la figura 5 y a 6 GHz en la figura 6, donde la parte frontal de la cámara con el objetivo está orientada hacia el espectador en todas las imágenes. El pico de ganancia de los elementos individuales oscila entre unos 3 dBi a 2,4 GHz y casi 7 dBi a 5 GHz. A 2,4 GHz el patrón es bastante amplio, mientras que en las frecuencias más altas el patrón es más complejo con algunos lóbulos.
Figura 4: Los patrones de ganancia de las dos antenas a 2,4 GHz muestran dos patrones de lóbulos anchos que cubren la mitad del dispositivo. La orientación de la imagen es mirando directamente a la parte frontal de la cámara.
Figura 5: Los patrones de ganancia de las dos antenas a 5 GHz muestran dos patrones más estrechos con alta ganancia normal a la antena. La orientación de la imagen es mirando directamente a la parte frontal de la cámara.
Figura 6: Los patrones de ganancia de las dos antenas a 6 GHz muestran patrones multilobulares que cubren la mayor parte del plano azimutal del dispositivo y tienen un lóbulo apuntando en la dirección frontal de la cámara. La orientación de la imagen es mirando directamente a la parte frontal de la cámara.
Dado que la cámara podría montarse en una orientación aleatoria, es deseable tener cobertura en toda la gama de ángulos. Sin embargo, como hay algunas piezas internas en la cámara genérica, como las placas de circuito impreso y las estructuras de soporte, la ganancia en la parte trasera de la cámara es reducida. Utilizando las funciones de optimización de matrices de XFdtd, se puede determinar el rendimiento de las matrices para encontrar la cobertura máxima posible. En la figura 7 se calcula el patrón Max Hold para las dos antenas a 2,4 GHz, que muestra una buena ganancia en la dirección delantera y alrededor del plano azimutal. En la figura 8, el diagrama Max Hold a 5 GHz muestra fuertes lóbulos a los lados de la antena y una ganancia reducida, pero positiva, en la dirección delantera. A 6 GHz, como se muestra en la figura 9, el diagrama de retención máxima muestra una ganancia fuerte en la dirección frontal y una ganancia menor en los laterales. Las figuras 7, 8 y 9 muestran los diagramas con la cámara orientada como se muestra en la figura 1.
Figura 7: El patrón EIRP máximo de las dos antenas a 2,4 GHz muestra una amplia cobertura sobre la región delantera de la cámara. La orientación de la cámara en la imagen es idéntica a la mostrada en la figura 1.
Figura 8: El diagrama EIRP máximo de las dos antenas a 5 GHz muestra una cobertura de alta ganancia normal al plano de la antena en la dirección azimutal. La orientación de la cámara en la imagen es idéntica a la mostrada en la figura 1.
Figura 9: El diagrama de máxima p.i.r.e. de las dos antenas a 6 GHz muestra una fuerte ganancia en la dirección frontal y una cobertura casi uniforme en la dirección azimutal. La orientación de la cámara en la imagen es idéntica a la mostrada en la Figura 1.
Creando una función de distribución acumulativa de la p.i.r.e., es posible calcular la cobertura máxima en toda la esfera tridimensional que rodea al dispositivo. En la figura 10, el gráfico de la CDF de la p.i.r.e. muestra que, para todas las relaciones de fase posibles de los elementos a 2,4 GHz, es posible obtener una ganancia positiva en aproximadamente el 67% de las direcciones. A 5 GHz, el gráfico CDF de la figura 11 muestra una cobertura de algo más del 60% con ganancia positiva. Por último, a 6 GHz, la figura 12 muestra que casi el 70% de las direcciones pueden tener ganancia positiva.
Figura 10: El gráfico de la FDA de la p.i.r.e. de las dos antenas a 2,4 GHz muestra una ganancia positiva en aproximadamente el 67% de las direcciones.
Figura 11: El gráfico de la FDA de la p.i.r.e. de las dos antenas a 5 GHz muestra una ganancia positiva en aproximadamente el 60% de las direcciones.
Figura 12: El gráfico de la FDA de la p.i.r.e. de las dos antenas a 6 GHz muestra una ganancia positiva en aproximadamente el 70% de las direcciones.
Conclusión
Mantener un buen contacto con un dispositivo remoto, como una cámara, es una característica crítica de cualquier sistema doméstico conectado. Este diseño genérico de cámara se ha evaluado con XFdtd y se ha comprobado que tiene al menos ganancia positiva para más del 60% de las direcciones en tres frecuencias, con picos de ganancia de casi 7 dBi. Esto debería proporcionar una conectividad adecuada para la mayoría de las configuraciones de instalación.
