Le antenne virtuali semplificano la progettazione delle antenne integrate IoT

Le antenne hanno sempre occupato un posto contraddittorio e talvolta confuso nel mondo wireless. Se da un lato sono semplici trasduttori passivi tra l'energia confinata nei conduttori (rappresentata da tensione e corrente) e l'energia elettromagnetica dispersa e irradiata esistente nel vuoto o nell'aria, dall'altro lato sono disponibili in una gamma straordinaria di realizzazioni fisiche, configurazioni, stili e dimensioni. Fin dagli albori del wireless (si pensi a Marconi, più di un secolo fa), l'ideazione, la progettazione e la fabbricazione delle antenne hanno attraversato diverse fasi, tutte importanti.

Gli esordi

Le prime antenne si basavano su una delle due strutture fondamentali: il monopolo con un piano di massa associato (talvolta chiamato antenna a frusta o a stilo) (Figura 1) e il dipolo bilanciato non collegato a terra in varie configurazioni, come il dipolo ripiegato (Figura 2). Sebbene i ricercatori e gli ingegneri sapessero che le prestazioni delle antenne erano in ultima analisi regolate dalle quattro equazioni di Maxwell, data l'enorme complessità legata alla modellazione e al calcolo, non era possibile utilizzare queste equazioni per la progettazione delle antenne.

Figura 1: L'antenna a filo lungo o a frusta è un progetto monoelemento che utilizza un piano di massa (qui, la superficie dell'auto, a sinistra); lo schema dell'antenna mostra la sua semplicità (a destra). (Immagine per gentile concessione di Lihong Electronic, a sinistra, Electronics Notes, a destra)

Figura 2: Il dipolo di base è un'antenna bilanciata e simmetrica senza riferimento a terra (in alto), come mostrato nell'illustrazione (in basso). (Immagine per gentile concessione di TCARES.net, in alto, e Tutorials Point, in basso)

Di conseguenza, l'analisi delle antenne si limitava alle equazioni di base utilizzate per dimensionare i loro componenti, come il monopolo, il dipolo, il filo lungo e alcune altre configurazioni. Queste equazioni venivano anche modificate utilizzando regole empiriche, intuizioni e prove sul campo. Ad esempio, era noto che l'uso di tubi al posto di fili sottili per i dipoli aumentava la loro larghezza di banda, il che poteva essere positivo o negativo a seconda dell'applicazione. L'entità di questo aumento rispetto al diametro dei tubi veniva stimata utilizzando linee guida basate sull'esperienza e su misurazioni di base. Anche le discussioni accademiche sui progetti di antenne e sui loro principi di funzionamento avevano poche equazioni al di là delle opinioni sulla disposizione di base rispetto alla lunghezza d'onda, come è chiaro nel documento tecnico del 1926 per la classica antenna Yagi-Uda (riferimento 1) (Figura 3).

Figura 3: L'antenna Yagi di base (in alto) è un'antenna a tre elementi ampiamente utilizzata in applicazioni commerciali, residenziali e militari. I tre elementi (in basso) sono un dipolo eccitato (attivo) con un riflettore passivo dietro e un direttore passivo davanti, tutti montati su un unico braccio. (Immagine per gentile concessione di EuroCaster/Danimarca, in alto, RFWireless-World, in basso)

La seconda fase

La seconda ondata di innovazioni nella progettazione delle antenne è iniziata con la disponibilità di modelli e algoritmi che acquisivano gli attributi dell'antenna e potevano essere eseguiti in un computer per risolvere modelli ed equazioni del campo elettromagnetico in un tempo ragionevole, purché i modelli non fossero troppo complessi.

Questi "solutori di campo" hanno permesso ai progettisti di nuove configurazioni di antenne di utilizzare la combinazione di teoria dell'antenna e di esperienza sul campo per proporre nuove configurazioni, modularle e infine quantificarne le prestazioni "sulla carta", senza bisogno di un modello fisico e di prove sul campo nelle fasi iniziali di progettazione. È un approccio che ha funzionato fino a un certo punto, ma si trattava comunque di un compromesso accettato. Ha comunque permesso agli ingegneri di concentrarsi sul progetto di un'antenna e di modificarlo di continuo fino a raggiungere gli obiettivi prefissati.

Un esempio straordinario lo si è visto nello sviluppo del primo aereo stealth, F-117 Nighthawk, presso il famoso Skunk Works di Lockheed (riferimenti 2 e 3). Gran parte del lavoro teorico sulla riduzione della firma radar di molti ordini di grandezza era basato su soluzioni analitiche ed equazioni complesse.

Queste equazioni analizzavano la riflessione dei campi di energia elettromagnetica sull'aereo quando questo era immerso nei segnali radar. L'obiettivo del progetto era quello di utilizzare soluzioni nuove e non convenzionali per quanto riguarda il materiale dei pannelli, la forma, le dimensioni, gli angoli, le giunzioni e altri elementi del disegno per ridurre al minimo la tendenza intrinseca di queste superfici ad agire come un'antenna. Questo, a sua volta, ha fatto sì che l'aeromobile ri-irradiasse e riflettesse l'energia in modo simile a un'antenna, risultando così invisibile al ricevitore del sistema radar.

La terza fase è molto diversa

Ora stiamo entrando in una nuova fase di progettazione di antenne basate su modelli, che guarda alla sfida da una prospettiva diversa. Invece di affidarsi a un'antenna dedicata per irradiare un segnale RF, il dispositivo Internet delle cose (IoT) o lo smartphone irradiano il segnale direttamente dal piano di massa.

A tale scopo, un'antenna incorporata convenzionale viene sostituita con un amplificatore di antenna NN03-320 DUO mXTEND di Ignion (Figura 3), un componente passivo di 7,0 mm di lunghezza × 3,0 mm di larghezza × 2,0 mm di altezza che è all'incirca un decimo delle dimensioni di un'antenna tradizionale (fino al 2021, Ignion era conosciuta come Fractus Antennas).

Figura 4: NN03-320 DUO mXTEND di Ignion è un piccolo componente passivo che utilizza il piano di massa della scheda a circuiti stampati per irradiare il segnale RF. (Immagine per gentile concessione di Ignion)

Grazie all'esclusiva tecnologia brevettata Virtual Antenna - nome commerciale della tecnologia "senza antenna" basata su una nuova generazione di micro-componenti - questo amplificatore è sempre lo stesso componente, indipendentemente dalle dimensioni o dal fattore di forma della scheda a circuiti stampati. Il progettista lo sintonizza sulla banda o sulle bande di frequenza desiderate creando e regolando la disposizione e i valori dei componenti della rete di adattamento.

In altre parole, questa disposizione crea una nuova e vantaggiosa sinergia tra l'amplificatore di antenna e il piano di massa circostante. Un'analogia approssimativa potrebbe essere l'effetto del fissaggio di un piccolo driver audio-piezoelettrico a un piano rigido: il piano risuonerebbe e, di fatto, aumenterebbe in modo significativo il livello di uscita audio risultante.

Gli amplificatori d'antenna di Ignion sono componenti standard a montaggio superficiale che sostituiscono le convenzionali antenne planari a F invertita (PIFA) personalizzate e le antenne a circuito stampato. Sono molto più piccoli della lunghezza d'onda operativa, in genere inferiori a 1/30 o addirittura 1/50 e oltre. Forniscono una connettività wireless multibanda completamente funzionale, consentendo a un singolo amplificatore di funzionare efficacemente in più progetti mobili e wireless, riducendo così i tempi di commercializzazione, gli investimenti per lo sviluppo del prodotto e, naturalmente, i costi. Inoltre, poiché gli amplificatori di antenna sono fisicamente costruiti come antenne in chip, possono essere installati con sistemi pick-and-place convenzionali, con conseguente riduzione dei costi di produzione e miglioramento della qualità e dell'affidabilità.

Adattamento

La rete di adattamento è la chiave per realizzare le prestazioni uniche degli amplificatori. Mentre l'amplificatore di antenna è standard e può essere utilizzato per una serie di prodotti mobili, la rete di adattamento deve essere personalizzata per ogni prodotto, ma si tratta di uno sforzo di progettazione iniziale e una tantum.

Modificando la rete di adattamento, la risposta RF dell'amplificatore può essere personalizzata per coprire le diverse bande di frequenza richieste da un moderno dispositivo IoT o da uno smartphone. Il più semplice dispositivo IoT a banda singola richiede una rete di adattamento con un numero di componenti compreso fra tre e cinque, mentre, per la sua rete di adattamento, uno smartphone multibanda potrebbe aver bisogno di almeno due amplificatori e di cinque-otto componenti di alta qualità.

Ignion semplifica il lavoro di progettazione con uno strumento di sviluppo gratuito che consente al progettista di posizionare virtualmente l'amplificatore vicino al bordo del circuito stampato, di definire una zona "libera" intorno all'amplificatore priva di componenti e di calcolare i componenti passivi necessari per la rete di adattamento. Per NN03-320 multiporta, le reti di adattamento calcolate consentono al dispositivo di coprire più bande e applicazioni, tra cui GNSS, Bluetooth, 5G e UWB, su frequenze che vanno da 1561 a 1606 MHz, da 2400 a 2500 MHz, da 3400 a 3800 MHz, da 3100 a 4800 MHz e da 6 a 10,6 GHz (Figura 5).

Figura 5: L'amplificatore di antenna NN03-320 può essere utilizzato per bande diverse e/o multiple se dotato di un adeguato circuito di adattamento dei componenti passivi tra la sorgente RF e l'amplificatore. (Immagine per gentile concessione di Ignion)

La scheda tecnica di NN03-320 specifica le prestazioni di questo amplificatore di antenna virtuale da 50 Ω e della rete di adattamento ottimizzata utilizzando i parametri standard dell'antenna per ogni banda, tra cui efficienza, guadagno di picco, ROS in tensione, polarizzazione e distribuzione dell'irradiazione.

Le note applicative mostrano schemi tipici di reti di adattamento come nella Figura 6 e includono una tabella dei valori dei componenti passivi suggeriti per ogni intervallo di frequenza desiderato. Sebbene questi valori servano come punti di partenza, dovranno essere modificati per tener conto di parassitismi imprevisti e degli effetti di componenti vicini come display o circuiti integrati.

Figura 6: Questo schema suggerito per una rete di adattamento dual-band è corredato da una tabella dei valori dei componenti passivi suggeriti per fornire un punto di partenza per la progettazione, l'analisi e la valutazione. (Immagine per gentile concessione di Ignion)

Conclusione

Gli amplificatori di antenna come quelli di Ignion sono un modo diverso di irradiare l'energia RF, utilizzando il piano di massa come superficie radiante. Questi amplificatori passivi a montaggio superficiale offrono un'alternativa alle tradizionali antenne integrate per i dispositivi IoT e gli smartphone. Un singolo dispositivo di antenna virtuale può coprire diverse zone dello spettro RF, semplicemente configurando in modo appropriato la sua rete di adattamento passivo.

Riferimenti

1: Yagi, Hidetsu; Uda, Shintaro, Proceedings of the Imperial Academy (febbraio 1926). "Projector of the Sharpest Beam of Electric Waves" (PDF).

2: Air Force Magazine, "How the Skunk Works Fielded Stealth"

3: Ben Rich, "Skunk Works: A Personal Memoir of My Years of Lockheed"