Análisis y simulación de antenas para dispositivos IoT en la banda ISM de 2.4 GHz

Abstract

Internet de las Cosas (IoT) ha evolucionado desde la simple conexión de dispositivos a Internet para la comunicación y el intercambio de datos de forma remota, hasta la interconexión de dispositivos cotidianos, transformándolos en dispositivos inteligentes capaces de ser monitorizados y controlados remotamente. Este avance mejora la calidad de vida en ámbitos como el hogar, la industria y la salud. No obstante, esta rápida evolución exige que el diseño de antenas específicas para cada aplicación sea eficiente y ágil. En el presente trabajo se realiza el diseño y análisis de una antena impresa con forma de meandro para la banda industrial, científica y médica (ISM) de 2.4GHz con el fin de analizar la reusabilidad del dispositivo según su tamaño. En estudios previos, se ha utilizado la herramienta CST Studio Suite Learning Edition para la automatización de simulaciones mediante macros. En este trabajo, además, se ha implementado la integración de CST con Matlab para optimizar el tiempo de diseño y análisis de datos. El diseño de la antena se realiza utilizando el software CST y, gracias a la integración implementada con Matlab, se facilita el estudio de la reusabilidad. Dicho estudio se realizará de forma gráfica mediante un Mapa de Calor que representará el peor valor de 𝑆11 obtenido para cada plano de masa. Adicionalmente, se diseña una antena Booster en CST mediante la integración con Matlab y se simula para evaluar su comportamiento. Finalmente, se comparan los resultados obtenidos de la antena diseñada con antenas comerciales como la Antenna Booster y la Antena Espiral, para evaluar su desempeño en términos de ancho de banda, reusabilidad y eficiencia total.

The Internet of Things (IoT) has evolved from the simple connection of devices to the Internet for remote communication and data exchange, to the interconnection of everyday devices, transforming them into intelligent devices capable of being remotely monitored and controlled. This progress improves the quality of life in areas such as the home, industry and healthcare. However, this rapid evolution requires the design of specific antennas for each application to be efficient and agile. In the present work, the design and analysis of a printed meander antenna for the 2.4GHz industrial, scientific and medical (ISM) band is carried out in order to analyze the reusability of the device according to its size. In previous studies, the CST Studio Suite Learning Edition tool has been used to automate simulations using macros. In this work, in addition, the integration of CST with Matlab has been implemented to optimize the design time and data analysis. The antenna design is performed using the CST software and, thanks to the integration implemented with Matlab, the reusability study is facilitated. Such study will be performed graphically by means of a heat map representing the worst 𝑆11 value obtained for each mass plane. Additionally, a Booster antenna is designed in CST by integration with Matlab and simulated to evaluate its behavior. Finally, the results obtained from the designed antenna are compared with commercial antennas such as the Antenna Booster and the Spiral Antenna, to evaluate their performance in terms of bandwidth, reusability and overall efficiency.