Interferencia RF y colocación de antenas

Interferencia RF & Colocación de Antenas — Cloudlock

Documento: Análisis de compatibilidad electromagnética (EMC) para multi-radio IoT
Contexto: Cloudlock con LTE (Blues Notecard), GPS, satélite (Skylo), y servomotor

---

1. Tipos de interferencia

1.1 EMI de servomotor

Motores DC con escobillas son fuentes RF agresivas:

• Chispas entre escobilla/colector: pulsos de 1-10 ns
• Espectro broadband: 1 MHz – 1 GHz
• Impacto: GPS, LTE, Skylo, incluso I2C

Característica	Servo RC típico (5V)
Corriente pico	0.5–2.0 A
Tiempo nanosegundos	1–10 ns
Frecuencia fundamental (brushes)	500 Hz – 5 kHz

---

1.2 PWM Switching Noise

Señal de control servo es PWM con frecuencia ~50–400 Hz. Garmónicas:

• 1ª: 400 Hz
• 1000ª: ~400 kHz
• Hasta ~160 MHz (según tiempo nanosegundos)

Problema: Garmónicas llegan a bandas LTE (700–2600 MHz), GPS (1.2 GHz), Skylo (1.6 GHz).

---

1.3 Back-EMF al apagar

Motor = inductancia. Al interrumpir corriente:

ΔV = L · (ΔI/Δt) = 30 nH · (2A / 1ms) = 60 mV (voltaje)
Pico back-EMF = -50...-100 V

Impacto:

• Daña MOSFET (Vds -30V típico)
• Emite ruido RF por cuerpo motor (antena)
• Acopla a líneas I2C cercanas → errores comunicación

---

1.4 Ground Bounce

Servo tira picos 1-3A → inductancia líneas poder → voltaje fantasma en GND.

GPS LNA (Low Noise Amplifier) tiene factor ruido 1-2 dB. Incluso 10-20 mV de ground bounce puede elevar floor ruido.

---

2. Por qué servo es crítico para Cloudlock

Ubicación física

Si servo está en misma carcasa metálica que antenas GPS/LTE:

• Distancia: ~30-100 mm
• A 1 GHz, λ/4 = 75 mm → no hay atenuación suficiente
• Acoplamiento near-field directo

Mecanismos de impacto

Mecanismo	Víctima	Efecto
Broadband noise 1MHz-1GHz	GPS, LTE, Skylo	-5 to -15 dB C/N0 drop, perder fix
PWM garmónicas @ 160MHz	GPS especially	Phase jitter, tracking loss
Back-EMF spike	MOSFET	Degradación, eventual fallo
Ground bounce	GPS LNA	Elevar floor ruido, SNR cae

---

3. Soluciones

3.1 RC Snubber en motor

Qué es: 10Ω + 10nF directamente en terminales motor:

Motor(+) ──[10Ω 1W]──[10nF/100V]── Motor(-)

Cómo funciona: Resistor limita pico corriente, capacitor absorbe energía inductancia. Pico back-EMF: -100V → -15V seguro.

Componentes:

• Resistor: Vishay CRCW121010R0FKEA (1210, 1W)
• Capacitor: Murata GRM32DR72A103KW01L (1210, 10nF)

---

3.2 Ferrita en alimentación servo

Componente: Murata BLM18KG471SN1D (0603, 470Ω @ 100MHz, 2.5A).

Colocación:

MOSFET Drain ──[Ferrita]── Servo V+

Cómo funciona: A baja frecuencia (DC, PWM bajo): baja Z, corriente pasa. A alta frecuencia (>1MHz): alta Z, ruido se absorbe y disipa como calor.

---

3.3 Distancia antenas

Requisito crítico GPS:

• Máxima interferencia LTE tolerable: -7 dBm
• Potencia TX LTE típica: 23 dBm
• Aislamiento requerido: ≥ 30 dB

Ecuación:

S21 (dB) ≈ 20·log(d/λ) - K

Para f=2 GHz, λ=150mm:
S21 = 20·log(d/150) - 20

Ejemplo: si d=300mm
S21 = 20·log(2) - 20 = 6 - 20 = -14 dB (insuficiente)

Mínimos recomendados:

• LTE ↔ GPS: ≥75 mm (λ/4 @ 1 GHz)
• LTE ↔ Servo: ≥100 mm
• GPS ↔ Servo: ≥100 mm

---

3.4 Blindaje de cables

Si motor se conecta por cable separado (no en PCB):

1. Usar cable retorcido (twisted pair) para los 3 hilos
2. Anillo ferrita sobre los 3 conductores (Fair-Rite 2643167251)
3. Cable blindado si es posible (GND de blindaje a chassis)

---

4. Layout PCB recomendado

Battey → Fusible → MOSFET ──[Ferrita]── Servo
                              │
                              GND ←─────── RC Snubber
                                           (cond pads)

GPS antenna ←────────────────────── separado 100mm mín

XIAO ─I2C─ RTC, Notecard (alejado de servo)

Regla general: Servo es fuente de ruido. Mantener lejos de sensores.

---

5. Síntomas vs diagnóstico

Síntoma	Causa probable	Test
GPS pierde fix cuando servo se mueve	EMI broadband	Medir RSSI sin servo energizado
Battery level desaparece tras cerrar carcasa	EMI en I2C	Medir con snubber removido
MOSFET se calienta mucho	Back-EMF sin snubber	Checar voltaje spike en Drain con osciloscopio
LTE signal degrada erraticamente	Ground bounce	Checar GND impedancia con VNA

---

Checklist EMC

• RC snubber en cada terminal servo motor
• Ferrita en línea servo V+
• Separación LTE ↔ GPS ≥75 mm
• Servo ↔ GPS ≥100 mm
• Servo ↔ LTE ↔ GPS en puntos opuestos carcasa
• Cable servo: retorcido o blindado si es externo
• Ground plane: contínuo, especialmente bajo antenas

---

Documentos relacionados

• Efecto Faraday
• Revisión esquema
• Código analysis