Come selezionare e applicare le antenne per i dispositivi IoT

La proliferazione dei dispositivi per Internet delle cose (IoT) continua ad accelerare e ispirare la progettazione di prodotti innovativi. Tuttavia, i progettisti devono ricordare che, a prescindere dalla creatività e dagli sforzi compiuti per l'hardware e il software, l'antenna svolge un ruolo fondamentale. Se l'antenna non funziona correttamente, le prestazioni del prodotto sono gravemente compromesse.

In quanto interfaccia tra il dispositivo e la rete wireless, l'antenna è una componente fondamentale del processo di progettazione dei dispositivi IoT. Converte l'energia elettrica in un'onda elettromagnetica a radiofrequenza (RF) nel trasmettitore e converte un segnale RF in arrivo in energia elettrica nel ricevitore. I progettisti possono ottimizzare le prestazioni di un'applicazione selezionando un'antenna che soddisfi i principali parametri di progettazione. Tuttavia, le numerose opzioni e considerazioni disponibili possono portare a cicli di progettazione ritardati e costosi.

Questo articolo riassume il ruolo dell'antenna in un dispositivo IoT wireless e descrive brevemente i criteri di progettazione critici che ne influenzano la scelta. L'articolo si avvale di esempi di antenne di Amphenol per illustrare le scelte più adatte per un sensore Bluetooth Low Energy (LE) o Wi-Fi, un tracker IoT con capacità di posizionamento satellitare GNSS, un punto di accesso (AP) Wi-Fi e un dispositivo IoT LoRa.

Come interpretare la scheda tecnica

Le prestazioni finali di un'antenna sono soggette a decisioni ingegneristiche, come la posizione di montaggio e la progettazione delle reti di adattamento dell'impedenza. Una buona implementazione richiede lo studio attento della scheda tecnica dell'antenna. I parametri chiave includono:

• Distribuzione dell'irradiazione: definisce graficamente il modo in cui l'antenna irradia (o assorbe) l'energia radio nello spazio 3D (Figura 1).
• Trasferimento di massima potenza: un buon trasferimento di potenza tra l'antenna e il ricevitore si verifica quando l'impedenza della linea di trasmissione (Z₀) si adatta a quella dell'antenna (Z_a). Una scarsa corrispondenza di impedenza aumenta l'attenuazione di riflessione (RL). Il rapporto di onda stazionaria (ROS) in tensione indica l'adattamento di impedenza tra la linea di trasmissione e l'antenna (Tabella 1). Valori elevati di ROS in tensione comportano perdite di potenza elevate. Un ROS in tensione inferiore a 2 è generalmente accettabile per un prodotto IoT.
• Risposta in frequenza: l'attenuazione di riflessione (RL) dipende dalla frequenza radio. I progettisti devono controllare la scheda tecnica della risposta in frequenza dell'antenna per assicurarsi che la RL sia ridotta al minimo alla frequenza operativa prevista (Figura 2).
• Direttività: misura la natura direzionale della direttività dell'antenna. La direttività massima è definita come D_max.
• Efficienza (η): il rapporto tra la potenza totale irradiata (TRP, o P_rad) e la potenza in ingresso (P_in) si calcola con la formula η = (Prad/Pin) * 100%.
• Guadagno: descrive la quantità di potenza trasmessa nella direzione del picco di irradiazione. Di solito fa riferimento a un'antenna isotropa con la designazione di dBi. Si calcola con la formula Gain_max = η * D_max.

Figura 1: La distribuzione dell'irradiazione rappresenta graficamente il modo in cui l'antenna irradia o assorbe l'energia radio nello spazio 3D. Le schede tecniche indicano in genere l'estensione massima nei piani XY e YZ quando l'antenna è montata come previsto. (Immagine per gentile concessione di Amphenol)

Tabella 1: Il ROS in tensione indica l'adattamento di impedenza tra la linea di trasmissione e l'antenna. Un ROS in tensione inferiore a 2 è generalmente accettabile per un prodotto IoT. (Tabella per gentile concessione di Steven Keeping)

Figura 2: ROS in tensione e RL dipendono dalla frequenza. La RL deve essere ridotta al minimo alla frequenza operativa prevista. (Immagine per gentile concessione di Amphenol)

Potenziare le prestazioni

Un'antenna con scarse prestazioni limita la quantità di energia elettrica trasformata in energia irradiata dal trasmettitore e la quantità di energia raccolta dai segnali RF in arrivo dal ricevitore. Le scarse prestazioni di una delle due estremità riducono la portata del collegamento wireless.

Il fattore principale che influenza le prestazioni dell'antenna è l'impedenza. Un disadattamento significativo tra l'impedenza dell'antenna (correlata alla tensione e alla corrente in ingresso) e l'impedenza della sorgente di tensione che pilota l'antenna determina un trasferimento di energia insufficiente.

Un circuito di adattamento dell'impedenza ben progettato minimizza il ROS in tensione e le conseguenti perdite di potenza adattando l'impedenza delle sorgenti di potenza del trasmettitore con quella dell'antenna. L'impedenza è tipicamente di 50 Ω per un prodotto IoT a bassa potenza.

Anche la posizione dell'antenna influisce notevolmente sulla potenza di trasmissione e sulla sensibilità di ricezione del prodotto finale. Per un'antenna interna, le linee guida di progettazione raccomandano di posizionarla nella parte superiore del dispositivo IoT, sul bordo della scheda CS e il più lontano possibile da altri componenti che potrebbero generare interferenze elettromagnetiche (EMI) durante il funzionamento. I componenti di adattamento dell'impedenza rappresentano un'eccezione, poiché sono necessariamente vicini all'antenna. Le piazzole e le tracce della scheda CS che collegano l'antenna al resto del circuito devono essere gli unici conduttori in rame in un'area libera definita (Figura 3).

Figura 3: L'antenna montata su scheda CS deve essere posizionata vicino al bordo. L'antenna deve inoltre essere collocata lontano da altri componenti (a parte quelli utilizzati per il circuito di adattamento dell'impedenza) incorporando un'area libera. (Immagine per gentile concessione di Amphenol)

(Per maggiori dettagli sulle linee guida per la progettazione delle antenne, vedere "Come utilizzare antenne multibanda embedded per risparmiare spazio, complessità e costi nei progetti IoT".)

Tipi di antenna

La definizione dell'antenna è una parte fondamentale del processo di progettazione dei dispositivi IoT. L'antenna deve essere ottimizzata per la banda RF dell'interfaccia wireless di destinazione, ad esempio NB-IoT per più bande tra 450 MHz e 2200 MHz, LoRa per 902-928 MHz in Nord America, Wi-Fi per 2,4 GHz e 5 GHz e Bluetooth LE per 2,4 GHz.

Le antenne utilizzano concetti elettrici diversi. Esempi sono: monopolo, dipolo, anello, antenna a F invertita (IFA) e antenna planare a F invertita (PIFA). Ognuna è adatta a una particolare applicazione.

Esistono anche antenne a terminazione singola e differenziali. Il tipo a terminazione singola è sbilanciato, mentre le antenne differenziali sono bilanciate. Le antenne sbilanciate ricevono o trasmettono un segnale riferito a terra e l'impedenza di ingresso caratteristica è tipicamente di 50 Ω. Tuttavia, poiché molti circuiti integrati RF hanno porte RF differenziali, spesso è necessaria una rete di trasformazione se si utilizza un'antenna sbilanciata. Questa rete di balun trasforma il segnale da bilanciatoa sbilanciato.

Un'antenna differenziale trasmette utilizzando due segnali complementari, ciascuno nel proprio conduttore. Poiché l'antenna è bilanciata, non è necessario un balun quando l'antenna viene utilizzata con CI RF con porte RF differenziali.

Infine, le antenne sono disponibili in diversi formati: per scheda CS, chip o patch, frusta esterna e filo. La Figura 4 illustra alcune applicazioni di esempio.

Figura 4: Antenne diverse soddisfano applicazioni IoT diverse. (Immagine per gentile concessione di Amphenol)

Adattare l'antenna all'applicazione

L'applicazione e il fattore di forma del prodotto determinano la scelta finale dell'antenna. Ad esempio, se un prodotto IoT ha vincoli di spazio, l'antenna su scheda CS può essere incorporata direttamente nella circuiteria della scheda CS. Queste antenne sono una scelta eccellente per le applicazioni a 2,4 GHz, come i sensori Bluetooth LE o Wi-Fi nei dispositivi di domotica per illuminazione, termostati e sistemi di sicurezza. Offrono prestazioni RF affidabili in un'architettura a profilo ribassato. Tuttavia, le antenne su scheda CS sono difficili da progettare. Un'alternativa è quella di acquistare l'antenna per scheda CS da un fornitore commerciale e quindi montarla sulla scheda CS mediante un supporto adesivo.

Un esempio di antenna per scheda CS è l'antenna RF per traccia Wi-Fi ST0224-10-401-A di Amphenol. L'antenna offre una distribuzione dell'irradiazione omnidirezionale nelle bande da 2,4 a 2,5 GHz e da 5,15 a 5,85 GHz. L'antenna misura 30 x 10 x 0,2 mm e ha un'impedenza di 50 Ω. La sua RL è inferiore a -10 dB per entrambi i campi di frequenza e il suo guadagno di picco è di 2,1 dBi nella banda dei 2,4 GHz e di 3,1 dBi nella banda dei 5 GHz. L'efficienza è rispettivamente del 77% e del 71% (Figura 5).

Figura 5: L'antenna per traccia di scheda CS Wi-Fi ST0224-10-401-A è efficiente in entrambe le bande da 2,4 e 5 GHz. (Immagine per gentile concessione di Amphenol)

Un'altra opzione per i prodotti IoT con vincoli di spazio è l'antenna in chip. Le apparecchiature automatiche possono montare direttamente questo componente compatto su una scheda CS. L'antenna è adatta alle applicazioni IoT wireless basate su Bluetooth LE o Wi-Fi. I vantaggi principali di un'antenna su chip sono il risparmio di spazio, la riduzione dei costi di produzione e la semplificazione del processo di progettazione.

Come descritto in precedenza, le prestazioni di un'antenna in chip sono influenzate da fattori quali il layout della scheda e i componenti circostanti, ma i progressi nella tecnologia delle antenne hanno portato a dispositivi estremamente efficienti. Le antenne in chip sono adatte a diverse applicazioni, dagli smartphone e tablet ai sistemi di domotica e ai sensori industriali.

Un esempio è il modello ST0147-00-011-A di Amphenol, un'antenna in chip per montaggio superficiale su scheda CS da 2,4 GHz. L'antenna offre una distribuzione dell'irradiazione omnidirezionale nella banda di frequenza da 2,4 a 2,5 GHz (Figura 6). L'antenna misura 3,05 x 1,6 x 0,55 mm e ha un'impedenza di 50 Ω. La sua RL è inferiore a -7 dB, il suo guadagno di picco è di 3,7 dBi e la sua efficienza media è dell'80%.

Figura 6: L'antenna in chip a montaggio superficiale ST0147-00-011-A è compatta e presenta una distribuzione dell'irradiazione omnidirezionale nel piano XY. (Immagine per gentile concessione di Amphenol)

Come le antenne per scheda CS, le antenne patch sono compatte e possono essere fissate direttamente alla scheda. Un'applicazione tipica è l'antenna per un localizzatore di beni o per altri dispositivi con capacità di navigazione satellitare globale (GNSS). Le antenne patch GNSS prevedono un elemento patch su un substrato dielettrico. L'elevata efficienza garantisce la ricezione di segnali GNSS deboli da più satelliti.

Un esempio è l'antenna patch passiva GNSS ST0543-00-N04-U di Amphenol per il funzionamento nelle bande di frequenza di 1,575 e 1,602 GHz. L'antenna misura 18 x 18 x 4 mm e ha un'impedenza di 50 Ω. La sua RL è inferiore a -10 dB per entrambi i campi di frequenza e il suo guadagno di picco è di -0,5 dBi nella banda di 1,575 GHz e di 1,0 dBi nella banda di 1,602 GHz. L'efficienza è rispettivamente dell'80% e dell'82%.

Le antenne a frusta esterne, come l'antenna di un AP Wi-Fi, vengono montate all'esterno dei dispositivi IoT per ottimizzare il funzionamento della radio. Un'antenna a frusta esterna estende la portata del segnale, ne migliora la qualità e supera ostacoli o interferenze. Sono utili in ambienti con segnali deboli od ostruiti, come quelli attenuati da pareti, soffitti e mobili di casa. Sono disponibili modelli a frusta diritti e girevoli, ciascuno con connessioni standard di interfaccia RF come SMA, RP-SMA e N-Type.

Un esempio è l'antenna ad asta SMA RF da 2,4 e 5 GHz ST0226-30-002-A di Amphenol. L'antenna è una buona soluzione per gli AP Wi-Fi e le set-top box (STB). Offre una distribuzione dell'irradiazione omnidirezionale nelle bande di frequenza da 2,4 a 2,5 GHz e da 5,15 a 5,85 GHz. L'antenna misura 88 x 7,9 mm di diametro e ha un'impedenza di 50 Ω. La sua RL è inferiore a -10 dB per entrambi i campi di frequenza e il suo guadagno di picco è di 3,0 dBi nella banda di 2,4 GHz e di 3,4 dBi nella banda di 5 GHz. L'efficienza è rispettivamente dell'86% e del 75%. L'antenna è disponibile con connettore SMA o RP-SMA (Figura 7).

Figura 7: L'antenna a frusta esterna ST0226-30-002-A per gli AP Wi-Fi è disponibile con connettore SMA o RP-SMA. (Immagine per gentile concessione di Amphenol)

sLe antenne a filo elicoidale sono un'opzione semplice ed economica per le applicazioni sub-GHz, come i dispositivi LoRa IoT nella banda di frequenza di 868 MHz. Queste antenne sono in genere saldate direttamente sulla scheda CS e offrono buone prestazioni. Alcuni aspetti negativi sono l'ingombro, soprattutto alle basse frequenze, e l'efficienza relativamente bassa rispetto ad alcune alternative.

Un esempio è l'antenna RF a 862 MHz ST0686-10-N01-U di Amphenol (Figura 8). Questa antenna a filo elicoidale opera nella banda di frequenza da 862 a 874 MHz e ha un'impedenza di 50 Ω. L'antenna è dotata di un foro di saldatura passante con un'altezza massima di 38,8 mm. Ha una RL inferiore a -9,5 dB, un guadagno di picco di 2,5 dBi e un'efficienza media del 58%.

Figura 8: L'antenna a filo elicoidale ST0686-10-N01-U è una buona opzione per le applicazioni LoRa IoT. (Immagine per gentile concessione di Amphenol)

Conclusione

Le prestazioni radio dei dispositivi IoT wireless dipendono dalla selezione dell'antenna, per cui i progettisti devono scegliere con attenzione tra un'ampia gamma di modelli di antenne di fornitori come Amphenol per adattarla al meglio all'applicazione. Le schede tecniche sono fondamentali durante la selezione, ma rispettare le linee guida di progettazione garantisce le migliori prestazioni wireless.