Capire le sottigliezze della scheda tecnica di un'antenna IoT

Quando si progetta un prodotto wireless per l'Internet delle cose (IoT), è necessario conoscere le antenne e il loro ruolo di unica interfaccia tra il prodotto e il mondo esterno. Se l'antenna scelta non è quella giusta, il prodotto finale potrebbe comunicare comunque ma le sue prestazioni sarebbero talmente compromesse che gli utenti potrebbero rinunciarvi e cercare qualcos'altro.

Il problema per molti progettisti è che la serie impressionante di soluzioni di antenne presenti sul mercato rende il processo di selezione piuttosto scoraggiante. Come scremare quindi l'offerta e riuscire a scegliere l'antenna migliore per il proprio progetto?

Alcune decisioni sono più facili di altre. Anzitutto, cercare un'antenna ottimizzata per la banda utilizzata dal progetto. Ad esempio, se il prodotto utilizza la connettività LoRa e si rivolge al mercato statunitense, l'antenna deve essere ottimizzata per operare nella banda da 902 a 928 MHz. Se il dispositivo supporta il Wi-Fi dual-band, l'antenna deve essere ottimizzata per operare in entrambe le bande RF da 2,4 e 5 GHz.

Poi occorre considerare il fattore di forma del prodotto finale. Ad esempio, se un sensore abilitato Bluetooth Low Energy (BLE) deve essere estremamente compatto, una valida opzione potrebbe essere ST0147-00-011-A di Amphenol, un'antenna in chip a montaggio superficiale a 2,4 GHz. Misura solo 3,05 x 1,6 x 0,55 mm ed è montata direttamente sulla scheda del dispositivo. Come esempio di dispositivo molto più grande prendiamo un access point (AP) Wi-Fi. Offre molto spazio per l'antenna e soddisfa anche la richiesta di una buona portata e di un elevato throughput. In questo caso, un buon esempio è l'antenna a frusta esterna ST0226-30-002-A di Amphenol (Figura 1).

Figura 1: L'antenna a frusta esterna ST0226-30-002-A è idonea per applicazioni come gli access point Wi-Fi dual-band. (Immagine per gentile concessione di Amphenol)

Risolto il problema delle bande operative e dei fattori di forma, le cose si fanno un po' più complesse. La scelta di un'antenna che soddisfi le specifiche di consumo, affidabilità, portata e throughput richiede una ragionevole comprensione della scheda tecnica.

Diamo un'occhiata più da vicino

Prendiamo una tipica scheda tecnica, ad esempio quella per ST0224-10-401-A di Amphenol (Figura 2). Si tratta di un'antenna stampata RF Wi-Fi adatta per le applicazioni smart meter e Industrial IoT (IIoT) e può essere montata internamente. La scheda tecnica include informazioni sul diagramma d'irradiazione del dispositivo, sul trasferimento di potenza massima, sulla risposta in frequenza, sul guadagno e sull'efficienza. Vediamo il significato di ognuno di questi parametri.

Figura 2: L'antenna stampata RF Wi-Fi ST0224-10-401-A può essere montata internamente ed è adatta per le applicazioni smart meter e IIoT. (Immagine per gentile concessione di Amphenol)

Distribuzione dell'irradiazione: definisce graficamente il modo in cui l'antenna irradia (o assorbe) l'energia a radiofrequenza (RF) nello spazio 3D. La scheda tecnica mostra in genere due o tre sezioni della distribuzione dell'irradiazione 3D, una per il picco di irradiazione nel piano XY e l'altra per il picco nel piano ZY (e/o ZX) (Figura 3). Spesso, le distribuzioni dei piani sono indicate come "azimut" (piano XY) ed "elevazione" (ortogonale al piano XY, ad esempio, attraverso il piano ZY) quando l'antenna è montata secondo l'uso previsto nel prodotto finale.

Figura 3: La distribuzione dell'irradiazione di picco per un'antenna stampata Wi-Fi nel piano XY (sinistra) e nel piano ZY (destra). (Immagine per gentile concessione di Amphenol)

Un'antenna omnidirezionale, come quella a dipolo, irradia o riceve energia radio in modo relativamente uguale in tutte le direzioni. Questa caratteristica è adatta a molte applicazioni IoT, perché spesso lo sviluppatore deve garantire la connettività tra i dispositivi con qualsiasi orientamento tra loro. Dalla scheda tecnica dell'antenna ST0224-10-401-A di Amphenol si evince che si tratta di un dispositivo omnidirezionale.

Lo svantaggio di un'antenna omnidirezionale è che l'energia di trasmissione viene dissipata sulla superficie di una sfera in espansione, attenuando la potenza del segnale in modo esponenziale e compromettendo la portata. Le antenne direzionali, invece, utilizzano tecniche come il beamforming per concentrare l'energia radio in una direzione specifica, incrementando la portata.

Trasferimento della potenza massima: si verifica quando l'impedenza della linea di trasmissione (Z₀) è uguale a quella dell'antenna (Z_a). Anche se un circuito di adattamento di impedenza è ben progettato, in genere l'antenna riflette una parte dell'energia lungo la linea di trasmissione. Una misura comune per stabilire quanto le impedenze Z₀ e Z_a siano ben adattate è il rapporto di onda stazionaria (ROS) in tensione. Un ROS in tensione di 1 indica che non c'è nessuna perdita per disadattamento di impedenza, mentre numeri più elevati indicano perdite crescenti.

Ad esempio, un ROS in tensione di 3,0 indica che circa il 75% della potenza va all'antenna. Il rapporto di potenza tra l'onda riflessa e quella incidente è detto attenuazione di riflessione (RL). Indica la riduzione in decibel (dB) della potenza dell'onda riflessa al di sotto di quella dell'onda incidente. Un ROS in tensione inferiore a 1,5 (un RL di ≈ 14 dB) è soddisfacente. L'antenna ST0224-10-401-A-10 di Amphenol ha una RL di -10 dB quando opera nelle bande di frequenza di 2,4 e 5 GHz.

Poiché la RL dipende anche dalla radiofrequenza, lo sviluppatore deve verificare la risposta in frequenza dell'antenna per assicurarsi che nella banda operativa prevista il valore RL sia ridotto al minimo (Figura 4).

Figura 4: RL dipende dalla frequenza. Lo sviluppatore deve assicurarsi che l'antenna offra una RL minima alla frequenza operativa prevista. (Immagine per gentile concessione di Amphenol)

Guadagno ed efficienza: il guadagno descrive quanta potenza viene trasmessa nella direzione del picco di irradiazione ed è solitamente espresso in dB in riferimento a un'antenna isotropica (dBi). Il guadagno è legato alla direttività e all'efficienza dell'antenna. La direttività misura la natura direzionale della distribuzione dell'irradiazione dell'antenna. Ad esempio, un'antenna perfettamente omnidirezionale ha una direzionalità zero e una direttività 1 (o 0 dB). La direttività viene in genere indicata come il valore di picco secondo la distribuzione dell'irradiazione (D_max). Normalmente, nella scheda delle specifiche di un'antenna il guadagno viene indicato più spesso della direttività perché prende in considerazione il disadattamento del ROS (rapporto di onda stazionaria di tensione) e le perdite di energia.

L'efficienza (η) è il rapporto fra la potenza irradiata totale (TRP, o P_rad) e la potenza in ingresso (P_in). La TRP viene calcolata integrando la potenza emessa sull'intera distribuzione dell'irradiazione. Per calcolare η, usare la formula η = (P_rad/P_in) * 100%. Il guadagno di picco dell'antenna è pertanto Gain_max = η * D_max.

Un'antenna trasmittente con un guadagno di 3 dB irradierà il doppio della potenza di un'antenna isotropica senza perdite a parità della potenza in ingresso. È un'antenna senza perdite quella con un'efficienza di 0 dB (o 100%). Allo stesso modo, un'antenna di ricezione con un guadagno di picco di 3 dB riceverà il doppio della potenza di un'antenna isotropica senza perdite. Per il nostro esempio Amphenol, il guadagno di picco è di 2,1 dBi nella banda a 2,4 GHz e di 3,1 nella banda a 5 GHz.

Un guadagno elevato non è sempre una buona cosa. Se non si conosce la direzione del segnale in arrivo, è preferibile avere un'antenna a basso guadagno (bassa direttività) per garantire una risposta soddisfacente ai segnali provenienti da tutte le direzioni. Un esempio è l'antenna di uno smartphone. Il guadagno deve essere basso perché i segnali in entrata e in uscita verso la stazione di base cellulare più vicina vanno e vengono in una direzione arbitraria.

Conclusione

L'antenna è un componente cruciale di un prodotto IoT. Una scelta sbagliata può compromettere seriamente le prestazioni del dispositivo wireless. Alcune fasi del processo di selezione sono semplici, come l'abbinamento dell'antenna alla frequenza operativa e la scelta di un'antenna adatta allo spazio disponibile. Per scegliere l'antenna corretta è fondamentale comprendere i termini utilizzati nella scheda tecnica e prestare particolare attenzione alla distribuzione dell'irradiazione, al trasferimento di potenza massima, alla risposta in frequenza e al guadagno.