¿Qué tienen en común los electrodomésticos de GE, LG, Samsung y Whirlpool? Todos ellos son ejemplos de cómo la conectividad Wi-Fi se está convirtiendo rápidamente en un estándar en frigoríficos, cocinas, lavadoras y otros electrodomésticos grandes. De hecho, el Wi-Fi es ahora una característica tan importante para los consumidores que tiendas como Best Buy y Home Depot permiten a los compradores buscar electrodomésticos que lo incorporen.
«Marcas como Samsung están a la vanguardia con sus frigoríficos Family Hub, equipados con pantallas táctiles, cámaras internas y conectividad que te permiten ver lo que hay dentro desde tu móvil mientras haces la compra», afirma Albert Lee, el mayor distribuidor independiente de electrodomésticos del estado de Washington. «Almacenar los alimentos de forma más inteligente también supone ahorrar dinero. Gracias a la conectividad Wi-Fi, se reciben alertas si la puerta se queda abierta, si la temperatura varía o si es hora de cambiar el filtro de agua. Eso se traduce en menos alimentos en mal estado y menos facturas de reparación inesperadas».
Esta tendencia implica que los fabricantes de electrodomésticos deben dar prioridad a la fiabilidad y al rendimiento de la conexión Wi-Fi a la hora de diseñar sus productos para seguir siendo competitivos. Un factor importante es la radiación electromagnética de las antenas integradas en lo que, en esencia, son grandes cajas metálicas —un entorno que no es precisamente ideal desde el punto de vista de las radiofrecuencias—.
Además, algunos de estos electrodomésticos tienen unas dimensiones eléctricas considerables en comparación con la antena que incorporan. Un ejemplo es un frigorífico con una altura, anchura y profundidad de 1,8 m, 0,9 m y 0,6 m, respectivamente, y la antena Wi-Fi FXP830 de Taoglas , que mide 0,0008 m, 0,042 m y 0,007 m.
Esta disparidad de dimensiones puede aumentar considerablemente el tiempo de simulación, incluso cuando se utilizan solucionadores numéricamente eficientes. Por ello, las simulaciones eficientes son fundamentales tanto para acortar los ciclos de desarrollo de productos como para satisfacer las expectativas de los clientes en cuanto a rendimiento y fiabilidad. A continuación explicamos cómo.
Uso de las técnicas de aceleración por hardware del software CST Microwave Studio para acelerar las simulaciones
Una opción es una solución basada en software que utiliza una técnica híbrida en CST Microwave Studio, en la que el sistema se descompone en dos subdominios denominados «fuente» y «plataforma», tal y como se muestra en la figura 1.
Figura 1: Simulación híbrida [1].
Las simulaciones híbridas ofrecen la libertad de seleccionar algoritmos numéricos tanto para la fuente como para la plataforma, lo que permite acortar eficazmente el tiempo de simulación utilizando un mínimo de recursos computacionales. Sin embargo, esto podría no ser suficiente para acelerar el ciclo de desarrollo del producto y satisfacer las expectativas de los clientes, especialmente en el caso de las simulaciones de banda ancha, en las que es necesario examinar varias muestras de frecuencia a lo largo de todo el rango.
La figura 2 muestra un modelo genérico del frigorífico simulado, con unas dimensiones de 1,8 m, 0,9 m y 0,65 m, respectivamente. La antena FXP830 de 2,4/5,8 GHz de Taoglas está situada en el centro del panel frontal para facilitar su integración con el resto de componentes electrónicos y placas de circuito impreso que se encuentran allí.
Cabe señalar que en este modelo genérico no se han incluido las placas de circuito impreso ni otros detalles de precisión. Se ha tenido en cuenta una profundidad de 117 mm para el panel frontal, medida desde la superficie del frigorífico. El FXP830, utilizado para realizar las simulaciones, cuenta con un sistema de fijación adhesivo, lo que facilita su instalación en el panel frontal. Además, es lo suficientemente flexible como para adaptarse a superficies curvas.
Figura 2: Un modelo genérico de frigorífico [2].
La opción de aceleración por hardware de CST Microwave Studio utiliza unidades de procesamiento gráfico (GPU). En un primer paso, se simula el sistema mediante el método de líneas de transmisión (TLM) en CST Microwave Studio sin aplicar la aceleración por hardware mediante GPU. Se considera una simulación de banda ancha con un rango de frecuencias de 2 GHz a 6 GHz.
Además, se definen 10 monitores de campo lejano a diferentes frecuencias. El número de celdas de la malla hexaédrica es de unos 126 millones. La duración total de la simulación para esta configuración es de 11 horas y 10 minutos.
Para estudiar la posibilidad de reducir el tiempo de simulación mediante hardware, se implementó la opción de aceleración por hardware de CST Microwave Studio. En un primer paso, se utilizó una GPU para llevar a cabo la simulación de banda ancha. La incorporación de una GPU redujo considerablemente el tiempo de simulación, que pasó de 11 horas y 10 minutos a 4 horas, 42 minutos y 26 segundos. En esta configuración, se utilizó el modelo TLM para resolver el problema. Se siguió analizando el tiempo de simulación añadiendo hasta un total de 4 GPU.
La figura 3 compara los tiempos de simulación utilizando diferentes números de GPU. Al duplicar el número de GPU, el tiempo de simulación se reduce casi a la mitad.
Figura 3: Tiempo de simulación en función del número de GPU activadas.
Realizar simulaciones en un rango de frecuencias más reducido o en una frecuencia específica, en lugar de una simulación de banda ancha, puede acortar aún más la duración de la simulación. Por ejemplo, ejecutar las simulaciones para esta última configuración con cuatro GPU adicionales para el rango de frecuencias de 2 GHz a 3 GHz y un monitor de campo lejano a 2,4 GHz solo lleva 24 minutos y 2 segundos.
La figura 4 ilustra el diagrama de radiación tridimensional de la antena en combinación con el frigorífico. Tal y como se había previsto, las partes metálicas del frigorífico influyen considerablemente en el diagrama de radiación de la antena, lo que contribuye a una mayor directividad y ganancia en comparación con el espacio libre.
Figura 4: Diagrama de radiación 3D simulado de una antena Wi-Fi FXP830 de Taoglas instalada en el frigorífico.
En la figura 5 se muestran los gráficos de eficiencia total y ganancia.
Figura 5: (a) La eficiencia total simulada y (b) la ganancia.
La conclusión principal es que el uso de GPU en combinación con el método de la línea de transmisión puede reducir considerablemente el tiempo de simulación original. Esto puede contribuir a un diseño y una simulación eficientes de antenas para electrodomésticos inteligentes de grandes dimensiones eléctricas.
Referencias
[1] Dassault Syst., Inc. (2024). [En línea]. Disponible en: https://www.cst.com/products/cstmws/.
Milad Mirzaee y Patrick Frank, «Diseño y simulación eficientes de antenas para electrodomésticos inteligentes de grandes dimensiones eléctricas», en el Simposio Internacional IEEE sobre Antenas y Propagación y la Reunión de Radioastronía de INC/USNC-URSI (AP-S/INC-USNC-URSI) de 2024, Florencia, Italia, del 14 al 19 de julio de 2024. ©2024 IEEE. Disponible en: https://ieeexplore.ieee.org/document/10687192
