Le antenne in chip a banda ultralarga sovvertono lo status quo per soddisfare diverse applicazioni

La funzione di un'antenna è semplicemente quella di agire da trasduttore bidirezionale tra il mondo RF dettato dalle equazioni di Maxwell e il mondo dei circuiti elettrici fatto di volt e ampere. Tuttavia, è sorprendente quanti diversi tipi e dimensioni di antenne siano in uso, tra cui ad esempio Yagi, farfalla, anello, parabola, patch, dipolo, monopolo, corno, elicoidale e stub.

Il motivo è che le antenne e le loro configurazioni hanno sempre avuto di fronte la complessa sfida di dover soddisfare molti obiettivi, spesso contrastanti. Tra i parametri critici si ricordano la frequenza centrale, la larghezza di banda di 3 decibel (dB), la distribuzione dell'irradiazione, la direttività, il rapporto avanti/indietro, i lobi laterali, le dimensioni fisiche, l'impedenza e la gestione della potenza, oltre a dimensioni tipiche, efficienza e problemi di costo.

Idealmente, un'antenna dovrebbe soddisfarli tutti, in particolare quando il costo e lo spazio sono cruciali. Anche se non ci siamo ancora arrivati, le antenne a banda ultralarga (UWB) sono una buona opzione per molte applicazioni diverse che richiedono connettività veloce, affidabile e a basso consumo.

Valutazione delle antenne

Tradizionalmente, un obiettivo chiave in molti sistemi era mantenere al minimo la larghezza di banda dell'antenna (misurata tra i suoi punti di -3 dB) per evitare di captare segnali estranei o creare interferenze indesiderate. Dopotutto, perché supportare le prestazioni fuori banda e il rumore ricevuto in più, soprattutto se ciò significa scendere a compromessi su altri fattori?

Un indicatore comune del parametro della larghezza di banda è la larghezza di banda frazionaria (FBW), ossia il rapporto tra il campo di frequenza (frequenza più alta meno frequenza più bassa) diviso per la frequenza centrale. La larghezza di banda frazionaria può variare da zero a due ed è spesso indicata come percentuale compresa tra 0% e 200%. Maggiore è la percentuale, maggiore è la larghezza di banda.

Sarebbe bello avere una semplice linea guida che indichi la FBW approssimativa di diversi tipi di antenne, ma non è possibile. Il motivo è che le antenne, forse più della maggior parte dei componenti, scendono molti compromessi progettuali e in fatto di dimensioni fisiche. Hanno un numero straordinario di gradi di libertà e quindi i loro parametri, inclusa la FBW, possono essere bilanciati a vicenda per trovare un design "ottimale" per una data applicazione.

La FBW di quasi tutte le antenne può essere aumentata o ridotta confrontandola con gli altri parametri, come direttività (guadagno), lobi laterali, distribuzione dell'irradiazione, dimensioni fisiche e numero di elementi per i progetti multielemento. Ad esempio, la FBW delle antenne Yagi-Uda classiche può essere regolata da pochi punti percentuali a decine di punti percentuali modificando il numero e la spaziatura dei suoi elementi, il loro spessore e altri attributi fisici.

Alcuni specialisti considerano un'antenna con una FBW del 20% o superiore un'antenna UWB, mentre altri affermano che solo quelle con una FBW superiore al 50% sono UWB. La Federal Communications Commission (FCC) e l'International Telecommunication Union Radiocommunication Sector (ITU-R) attualmente definiscono UWB una trasmissione per la quale la larghezza di banda del segnale emesso supera il minore di 500 MHz o del 20% della frequenza centrale aritmetica. A causa del potenziale di confusione, spesso è una buona idea chiedere chiarimenti quando si parla di questo argomento.

UWB: le esigenze oggi sono cambiate

Grazie all'avvento delle applicazioni a banda larga e multibanda, la direttiva per mantenere la FBW più stretta possibile si è spostata fino al punto in cui un'antenna UWB con un'ampia FBW è desiderabile o addirittura obbligatoria. In effetti, molti articoli accademici recenti descrivono configurazioni di antenne nuove o innovative con caratteristiche UWB.

Prima di continuare, discutiamo della terminologia UWB. Il termine "banda ultralarga" ha due significati leggermente diversi. Nel contesto delle antenne, si riferisce alla FBW, come discusso in precedenza. Tuttavia, quando si parla di spettro delle onde elettromagnetiche, il termine "banda ultralarga" viene utilizzato anche per descrivere le frequenze più alte dove è disponibile una maggiore larghezza di banda.

Ad esempio, le applicazioni che utilizzano parte della banda di frequenza estremamente alta (EHF) da 30 a 300 GHz sono spesso descritte come applicazioni UWB perché possono utilizzare una "fetta" ultra-ampia di diverse centinaia di megahertz per supportare velocità dati estremamente elevate. Tuttavia, un'applicazione UWB di questo tipo che utilizza 1 GHz a 60 GHz non necessita di un'antenna UWB; ha bisogno di un'antenna centrata a 60 GHz con una FBW di solo l'1,7% circa.

Antenne UWB come ACG0806U, ACG0301U e ACG0502U di Abramo funzionano in questo ampio campo di frequenze. Possono essere utilizzate per sostituire più antenne a banda stretta fornendo al tempo stesso un elevato grado di flessibilità di progettazione e connettività affidabile (Tabella 1).

Tabella 1: Le antenne UWB ACG0806U, ACG0301U e ACG0502U offrono diverse combinazioni di campo di frequenza e larghezza di banda frazionaria. (Immagine per gentile concessione di Bill Schweber, su dati Abracon)

L'intervallo potenziale dei segnali UWB e delle loro antenne le rende adatte per applicazioni come gateway e router, streaming ad alta velocità, access point wireless, dispositivi portatili, tracciamento e posizionamento, controllo di dispositivi domotici e sistemi di intrattenimento. Sono utili anche per applicazioni per l'Internet delle cose (IoT), nelle comunicazioni macchina-macchina (M2M), nell'accesso sicuro all'auto, nella tracciabilità degli articoli, nella navigazione interna, nei pagamenti touchless, nell'accesso intelligente e nel rilevamento degli oggetti.

Le antenne UWB di Abracon sono progettate anche per la connettività di prossima generazione. Coprono l'intero spettro da 698 MHz a 7 GHz e offrono molteplici vantaggi:

• Alte prestazioni
• Elevata efficienza di irradiazione
• Basso consumo energetico (grazie ai bassi requisiti di alimentazione dei sistemi UWB)
• Soddisfano le esigenze del settore per una trasmissione dati veloce/stabile
• Dispositivi chip completi e discreti per semplificare la progettazione dell'antenna e il layout della scheda/sistema

Caratteristiche tecniche da vicino

Uno sguardo più attento a un'antenna UWB di Abracon mostra sia i suoi attributi sia come faciliti la progettazione. ACG0806U è un'antenna UWB a montaggio superficiale (SMD) per il funzionamento da 3,3 a 7,2 GHz (larghezza di banda 4000 MHz) in un minuscolo contenitore in chip ceramico di 8,0 × 6,0 × 1,2 mm (Figura 1).

Figura 1: Abracon ACG0806U è un'antenna UWB per il funzionamento da 3,3 a 7,2 GHz in un minuscolo contenitore in chip ceramico SMD di 8,0 × 6,0 × 1,2 mm. (Immagine per gentile concessione di Abracon)

Dal punto di vista elettrico, ACG0806U offre la polarizzazione lineare e un'ampiezza del fascio azimutale omnidirezionale, con un'impedenza nominale di 50 Ω e un rapporto di onda stazionaria (ROS) in tensione inferiore a 3,5. Altri dettagli delle sue prestazioni includono grafici che mostrano la caratteristica di impedenza dell'attenuazione di riflessione e la caratteristica di irradiazione dell'efficienza totale (Figura 2 e Figura 3).

Figura 2: Il grafico dell'attenuazione di riflessione (in dB) per ACG0806U descrive in dettaglio un aspetto delle sue prestazioni nella banda operativa specificata. (Immagine per gentile concessione di Abracon)

Figura 3: L'efficienza dell'antenna ACG0806U nella frequenza operativa. (Immagine per gentile concessione di Abracon)

Altrettanto importante per i progettisti è come e dove posizionare e interfacciarsi con l'antenna in chip. Per ACG0806U, una scheda di valutazione mostra le dimensioni critiche e il circuito di adattamento associato (Figura 4).

Figura 4: Le dimensioni rilevanti per il posizionamento dell'antenna ACG0806U. (Immagine per gentile concessione di Abracon)

Conclusione

Le antenne UWB sono necessarie per supportare le diverse applicazioni multibanda e a banda larga che stanno ricevendo sempre più attenzione. Abracon offre una selezione di antenne chip UWB a montaggio superficiale con diverse frequenze centrali e larghezze di banda. Con queste opzioni, i progettisti possono selezionare e posizionare rapidamente un'antenna UWB sul circuito stampato e passare alle fasi successive del progetto.

Letture consigliate

1: Oltre i fili: le antenne si evolvono e si adattano per soddisfare le esigenze dei collegamenti wireless

https://www.digikey.com/en/blog/beyond-wires-antennas-evolve-and-adapt

2: Come soddisfare le reti sia legacy sia IoT wireless 5G con antenne a banda larga

https://www.digikey.com/en/articles/how-to-cater-to-both-legacy-and-5g-wireless-iot-networks-using-wideband-antennas

Riferimenti

1: International Journal of Antennas and Propagation, "Wideband and UWB Antennas for Wireless Applications: A Comprehensive Review"

https://www.hindawi.com/journals/ijap/2017/2390808/

2: IntechOpen, "Ultra-Wideband Antenna and Design"

https://www.hindawi.com/journals/ijap/2017/2390808/

3: National Institute of Health, National Library of Medicine, "Ultrawideband Antennas: Growth and Evolution"

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC8781011/