Antenne integrate per apparati IoT: parametri elettrici e misure

08/10/2018

IMPORTANTE: tutte le informazioni e le esperienze riportate in questo articolo sono frutto dell'attività di progettazione, sviluppo e realizzazione di antenne custom professionali svolta da ElettroMagnetic Services Srl con il metodo AntennaSuMisura. Per saperne di più, clicca qui.

 

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Quali sono le caratteristiche elettriche di un'antenna integrata e come si misurano

 

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Se progetti e realizzi dispositivi e apparati IoT oppure se ne fai uso per la tua attività lavorativa, non puoi evitare di affrontare il discorso relativo alle antenne integrate e a come queste possano garantire una adeguata connettività al tuo Cliente.  

 

In questo articolo approfondiamo due aspetti importanti, in quanto profondamente legati alle esigenze di caratterizzazione, validazione e certificazione di questi apparati.

 

Quali sono i parametri elettrici che caratterizzano le antenne integrate?

 

Quali sono le misure che vengono di solito effettuate nella caratterizzazione di tali antenne?

 

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ANTENNE NORMALI ED ANTENNE INTEGRATE

 

Prima di tutto definiamo una sostanziale differenza tra le antenne cosiddette normali e quelle integrate.

 

Le antenne normali possono essere considerate come elementi a sé stanti, composte da una serie di parti tutte sviluppate per ottenere il massimo delle prestazioni dell’antenna stessa. Attraverso opportune misure di caratterizzazione in camera anecoica, per queste antenne è possibile definire caratteristiche di radiazione ben precise, che saranno indipendenti dall’apparato a cui l’antenna verrà collegata.

 

Quando parliamo di antenne integrate invece, l’elemento radiante non è indipendente dall’ambiente in cui viene inserito, che comprende tutte le parti ad esso limitrofe e coinvolte nella radiazione in quanto percorse da correnti RF.

 

Per definire le caratteristiche di radiazione del sistema radiante, è quindi fondamentale considerare sia l’elemento radiante sia i componenti dell’apparato che si trovano vicino.

 

Quando ci troviamo di fronte ad un’antenna a chip miniaturizzata, è necessario tener conto del fatto che le caratteristiche tecniche indicate nel datasheet sono state ottenute utilizzando un sistema radiante di riferimento (la cosiddetta Evaluation board) diverso dalle reali condizioni operative in cui l’antenna verrà installata. E’ importante quindi ricordare che questi dati non sono veri in senso assoluto, come alcuni produttori vorrebbero farci credere, ma hanno un valore indicativo che deve essere verificato una volta inserita l’antenna nel dispositivo in cui la si vuole utilizzare.

 

Per un esempio dei problemi a cui si rischia di andare incontro, ti consiglio le lettura della Case History che trovi cliccando qui.

 

 

CARATTERISTICHE ELETTRICHE DELL’ANTENNA INTEGRATA

 

I parametri elettrici, di adattamento e radiazione, che in generale caratterizzano le antenne sono normalmente applicabili anche a quelle integrate, anche se in questo caso, a seguito del discorso fatto nel paragrafo precedente, la loro valutazione e/o misura non può svincolarsi dal considerare l’intero sistema antenna+apparato.

 

Passiamo quindi in rassegna le principali caratteristiche elettriche di un’antenna integrata.

 

Adattamento ed impedenza di ingresso

La specifica di adattamento dipende dalle caratteristiche del modulo radio connesso all’antenna: il costruttore del chip indica un valore massimo di ROS (in genere ≤2) per il quale vengono garantiti l’erogazione di un dato valore di potenza al carico ed un massimo assorbimento di corrente di alimentazione. Negli apparati che funzionano a batteria un ROS eccessivo in antenna può sia limitare l’autonomia operativa del prodotto sia diminuire la potenza RF effettivamente erogata dal modulo radio. Se nel caso di sistemi a banda stretta (433MHz, 868MHz, ecc.) l’adattamento in generale non rappresenta un problema, un requisito di maggior larghezza di banda può risultare difficile da ottenere. Molto spesso le antenne integrate vengono di fatto dimensionate per valori di ROS in banda maggiori (da 2.5 a 3), garantendo comunque un funzionamento soddisfacente.

 

Isolamento

Nel caso di più antenne integrate operanti su differenti bande di frequenza, può essere richiesto un parametro di isolamento, ovvero dell’attenuazione che esiste tra i differenti ingressi delle antenne nelle rispettive bande di frequenza. In alcuni casi, ottenere il valore di isolamento richiesto può risultare difficile e può anche essere risolto inserendo filtri SAW nei tratti di microstriscia che collegano le antenne ai rispettivi chip.

 

Rendimento, guadagno e direttività

Com’è noto, il rendimento di un’antenna è dato dal rapporto tra potenza irradiata e potenza totale entrante nell’antenna, a sua volta data dalla somma tra la potenza irradiata e la potenza dissipata a causa delle perdite presenti nei conduttori e nei dielettrici con i quali l’antenna stessa è costruita e presenti nella regione di campo vicino della stessa.

Nel caso delle antenne integrate, ai fattori di perdita propri dell’elemento radiante si aggiungono quelli dovuti alla presenza di elementi dissipativi necessari al funzionamento e/o all’omologazione dell’apparato.

Da un punto di vista operativo, la misura più importante che comprende anche un’informazione sull’efficienza dell’antenna è data dal guadagno.

Per quanto riguarda il concetto di direttività e la formula per calcolarla, si rimanda all’articolo redatto dall’Ing. Francesco Zaccarini, la cui versione in formato PDF è liberamente scaricabile cliccando qui.

 

Diagrammi di radiazione

I diagrammi di radiazione rappresentano l’intersezione della funzione di direttività dell’antenna con i piani principali, ovvero i piani assunti come riferimento del sistema antenna+apparato. Questi piani possono banalmente essere il piano orizzontale (azimutale) e verticale (zenitale) oppure, nel caso in cui non vi sia una precisa posizione di installazione del prodotto, si utilizzano i piani xy, xz, yz di un sistema cartesiano solidale con l’apparato stesso.

Normalmente, in un’antenna integrata, i gradi di libertà nel progetto non sono sufficienti a permettere una vera ottimizzazione dei diagrammi, sia per quanto riguarda la forma che la direzione di massima radiazione. In generale, infatti, non si ottengono diagrammi particolarmente direttivi, a meno di non installare l’intero sistema a ridosso di muri od altri elementi che ne precludano la radiazione verso alcune regioni di spazio.

 

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MISURE SULLE ANTENNE INTEGRATE

Sia nel corso dello sviluppo dell’antenna integrata che durante la sua successiva caratterizzazione e validazione, è necessario riprodurre il più fedelmente possibile le condizioni operative reali dell’intero sistema antenna+apparato.

Viene quindi definita una configurazione di riferimento, che potremmo anche chiamare installazione tipica, sulla quale effettuare tutte le misure elettriche necessarie.

In un apparato wireless contenente un’antenna integrata, le misure elettriche sono di due tipi, come di seguito specificato.

 

Misure sull’antenna integrata

L’antenna, anche se integrata nell’apparato, viene misurata definendo una porta d’ingresso, o sezione di riferimento, con un’impedenza normalizzata a 50Ω.

In genere la porta viene identificata con il pad di ingresso del modulo radio, includendo il tratto di microstriscia che lo collega all’elemento radiante e l’eventuale rete di adattamento in componenti SMD.

Le principali misure sull’antenna integrata sono: adattamento ed impedenza di ingresso, isolamento, diagrammi di radiazione e guadagno.

 

Misure sull’intero apparato

L’intero apparato contenente l’elettronica, il modulo radio e l’antenna integrata, vengono caratterizzati come un unico oggetto, sia per quanto riguarda la parte trasmittente che quella ricevente. In questo caso si utilizzano rispettivamente un analizzatore di spettro oppure un generatore di segnale, entrambi connessi ad un’antenna calibrata.

Le principali misure sull’intero apparato sono: EIRP (Effective Isotropic Radiated Power), EIS (Effective Isotropic Sensitivity), TRP (Total Radiated Power) e TRS (Total Radiated Sensitivity).

 

Per una descrizione più completa di queste misure, con esempi, formule e diagrammi, è possibile scaricare liberamente la versione in formato PDF dell’articolo redatto dall’Ing. Francesco Zaccarini, cliccando qui.

 

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Flaminio Bollini

ElettroMagnetic Services Srl

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