Introduzione alla progettazione di ANTENNE MIMO

16/04/2020

Di cosa è necessario tener conto nella progettazione di ANTENNE MIMO?

 

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1. I sistemi multi-antenna: dal “diversity” al MIMO.

Per decenni il meccanismo di propagazione delle onde radio chiamato multipath (o, in italiano, cammini multipli), che interessa le bande di frequenza VHF e superiori in scenari caratterizzati da numerosi ostacoli naturali e/o artificiali, ha rappresentato un inconveniente alla realizzazione di sistemi di comunicazione stabili ed affidabili.

In un radiocollegamento trasmettitore-ricevitore di tipo tradizionale (SISO, Single Input Single Output), che fa uso di una sola antenna ad ogni estremità del link, la contemporanea presenza di più raggi elettromagnetici (diretto e riflessi) che arrivano al ricevitore attraverso percorsi differenti possono infatti provocare dei fenomeni di affievolimento o cancellazione del segnale ricevuto (fading), essendo quest’ultimo dato dalla somma vettoriale di un elevato numero di contributi, in accordo con una  determinata distribuzione statistica.

Nella maggior parte dei casi quindi, tutti questi segnali riflessi agiscono come interferenze sul segnale radio, la cui potenza disponibile all’ingresso del ricevitore è sostanzialmente attribuibile al raggio diretto o principale. In queste condizioni la qualità del segnale si degrada molto velocemente: basti pensare ad esempio ai “fantasmi” talvolta visibili nelle immagini del televisore, caratteristico effetto del multipath sul segnale analogico.

Nelle stazioni radio base GSM/DECT dei primi anni ’90, gli effetti negativi dei cammini multipli sono stati ridotti introducendo la ricezione in diversità di spazio (spatial diversity) o di polarizzazione (polarization diversity). Queste sono tecniche che permettono di aumentare l’affidabilità del canale hertziano impiegando due antenne distinte, installate ad una certa distanza tra loro oppure impieganti due polarizzazioni ortogonali (H/V o +45°/-45°).

In questo modo, supponendo di poter contare su di una elevata indipendenza statistica tra i due segnali che giungono ad una o all’altra antenna, la probabilità totale di fuori servizio del canale viene ridotta, diventando sostanzialmente pari alle probabilità di fuori servizio dei singoli canali associati alle diverse antenne, aumentando perciò l’affidabilità del collegamento.

Si arriva così alla metà degli anni 2000, quando viene introdotta commercialmente la tecnologia MIMO (Multiple Input Multiple Output) che, contrariamente al diversity che cerca di minimizzare gli effetti del multipath, utilizza questo meccanismo di propagazione come una vera e propria risorsa.

Questa tecnologia fa uso di un certo numero di antenne, potenzialmente anche elevato, sia dal lato trasmittente che ricevente del collegamento ed associa ad ogni possibile coppia antenna trasmittente-ricevente un certo flusso di dati mediante un principio di multiplazione spaziale (spatial multiplexing).

Il meccanismo del multipath permette allora di inviare flussi multipli di dati dalle diverse antenne del trasmettitore a quelle del ricevitore, suddividendo così la capacità di canale tra i vari raggi elettromagnetici che caratterizzano il mezzo trasmissivo.

Viceversa, è interessante notare come un sistema multi-antenna basato su questo principio non funzioni adeguatamente nel caso di un radiocollegamento nel quale il meccanismo del multipath sia assente.

 

2. Tecniche di diversity per le antenne.

Sia che si tratti di ricezione in diversità che della più sofisticata tecnologia MIMO, le due o più antenne che si utilizzano devono risultare indipendenti tra loro, ovvero i segnali che individualmente ricevono devono essere il più possibile scorrelati tra loro.

Questa fondamentale caratteristica che le antenne devono avere si ottiene utilizzando tre criteri o, il più delle volte, una loro combinazione:

a) Diversità di spazio (spatial diversity);

b) Diversità di polarizzazione (polarisation diversity);

c) Diversità di fascio (beam diversity).

Nella diversità di spazio, la decorrelazione tra i segnali captati viene ottenuta ponendo le antenne ad una certa distanza l’una dall’altra (espressa in termini di lunghezze d’onda λ).

Nella diversità di polarizzazione, la decorrelazione tra i segnali ricevuti viene ottenuta utilizzando antenne con polarizzazioni caratteristiche mutuamente ortogonali, ad esempio H e V od inclinate a +45° e -45°.

Nella diversità di fascio, la decorrelazione tra i segnali ricevuti viene ottenuta mediante dei diagrammi di radiazione tra loro diversi e, possibilmente, complementari.

 

3. Due parametri significativi delle antenne MIMO.

Il grado di indipendenza tra le porte di un sistema multi-antenna viene descritto mediante il coefficiente di correlazione e l’isolamento. Per chiarire meglio questi due parametri, immaginiamo di riferirci ad un sistema ricevente che impiega due sole antenne.

Il coefficiente di correlazione è un indicatore di quanto i diagrammi di radiazione delle due antenne siano simili tra loro, ovvero di quanto essi siano in grado di operare una sorta di filtraggio spaziale dei raggi elettromagnetici che arrivano al ricevitore da direzioni e con polarizzazioni differenti. Il calcolo del coefficiente di correlazione, che varia tra 0 (antenne con diagrammi di radiazione completamente distinti) ed 1 (antenne con diagrammi di radiazione identici), è piuttosto complesso e deriva dalla misura delle funzioni di direttività delle singole antenne sull’intero angolo solido.

L’isolamento tra le due antenne, definito come -20·log10|S12| (in dB), definisce invece il grado di disaccoppiamento tra gli elementi radianti, misurato alle rispettive porte 1 e 2.

E' importante osservare che spesso esiste un legame tra similarità dei diagrammi di radiazione e relativo isolamento: in letteratura si possono trovare espressioni chiuse, più semplici di quella derivate dalle misure di radiazione, che in casi particolari permettono di stimare il coefficiente di correlazione a partire dai parametri S delle due antenne, quindi in forma molto più agevole rispetto a delle misure di radiazione.

Dal momento che un approfondimento matematico esula dagli scopi dell'articolo, nel formato PDF del presente articolo si riporta un chiarimento intuitivo di questi concetti attraverso due immagini che mostrano un confronto tra antenne con alto grado di correlazione e basso grado di correlazione.

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4. Il progetto di antenne MIMO.

In un apparato MIMO, che sfrutta il meccanismo fisico del multipath per aumentare la capacità di canale, le tecniche di diversity illustrate nel paragrafo 2 stanno alla base del progetto del sistema multi-antenna.

Infatti, le prestazioni di un tale sistema dipendono da numerosi fattori, quali ad esempio:

- le antenne dovrebbero avere un certo grado di direttività, controllabile attraverso i gradi di libertà che sono possibili nel progetto;

- le antenne dovrebbero avere una qualche sorta di discriminazione cross-polare;

- le antenne dovrebbero avere dei fasci di radiazione orientati in direzioni diverse, possibilmente tra loro complementari, così da coprire tutto l’angolo solido giro o buona parte di esso;

- l’accoppiamento mutuo tra le antenne dovrebbe essere minimo (corrispondente ad un buon livello di isolamento);

- in un sistema multi-antenna, la mutua prossimità degli elementi radianti non dovrebbe portare ad una riduzione di efficienza degli stessi;

- in un sistema multi-antenna, la mutua prossimità degli elementi radianti non dovrebbe peggiorarne l’adattamento e tutte le porte dovrebbero essere adeguatamente adattate sulla loro impedenza caratteristica nominale (50Ω).

Nel formato PDF del presente articolo portiamo ad esempio un prodotto reale (router Wi-Fi) al quale è possibile fare riferimento per stimare l'impatto di ognuno di questi fattori sulle antenne.

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Sebbene ogni realizzazione custom rappresenti un caso a sé stante, possiamo suddividere i progetti delle antenne MIMO mediante due criteri principali, utili a far comprendere le problematiche che si possono incontrare nell’affrontare tali realizzazioni:

a)      Progetti di antenne convenzionali od antenne integrate nell’apparato;

b)      Progetti di antenne a singola banda od antenne multibanda.

Sulla base di queste macro categorie prendiamo quindi in considerazione alcune tipologie di antenna.

 

Antenne convenzionali.

Con questo termine facciamo riferimento ad antenne non integrate, ovvero esterne all’apparato e perciò compatibili con più dispositivi od installazioni. Per queste antenne, la possibilità di rilassare il vincolo dimensionale realizzando elementi radianti più grandi e più spaziati (in termini di λ), permette di ottenere specifiche di isolamento migliori e diagrammi di radiazione più direttivi, favorendo l’implementazione delle tecniche di diversity sopra esposte.

Questo genere di progetti dà infatti la possibilità di:

- utilizzare elementi radianti standard (dipolo, patch, ecc.), ottenendo una migliore forma e direttività del fascio di radiazione, nonché una polarizzazione caratteristica ben definita;

- utilizzare elementi radianti con una distribuzione di corrente simmetrica, requisito importante per ottenere un elevato grado di isolamento in antenne a doppia polarizzazione.

- isolare gli elementi radianti da piani immagine o di massa comuni, mediante l’introduzione di dispositivi di simmetrizzazione nei punti di alimentazione (balun).

Nel formato PDF del presente articolo è possibile trovare l'esempio di due antenne custom di tipo convenzionale per applicazione MIMO e diversity.

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Antenne integrate.

Nelle antenne integrate, ovvero inserite all’interno di un dispositivo od apparato, lo sviluppo di un sistema multi-antenna è di fondamentale importanza per le recenti applicazioni nel campo del 5G, WiFi ed IoT.

Com’è intuibile, in questo caso l’approccio al progetto è differente, e risulta caratterizzato dai seguenti fattori:

- esistenza di vincoli dimensionali che costringono alla coesistenza di più elementi radianti in spazi ristretti;

- gli altri componenti elettrici, elettronici, della struttura meccanica dell’apparato possono influenzare le caratteristiche elettriche delle antenne;

- necessità di utilizzare elementi radianti con dimensioni ridotte (antenne corte) e quindi poco direttive;

- impiego di tipologie di elementi radianti che si discostano apprezzabilmente dalle strutture canoniche;

- elevate asimmetrie nelle correnti;

- più antenne condividono stesso piano di massa, che di solito consiste nel “layer GND” della PCB.

Tutti questi fattori portano a dover studiare attentamente la tipologia e la collocazione degli elementi radianti, utilizzando delle tecniche particolari per il miglioramento dell’isolamento tra le antenne.

Nel formato PDF del presente articolo è riportato l'esempio di due PCB con antenne integate IFA (Inverted F Antenna) che condividono lo stesso piano di massa.

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5. Conclusioni.

Lo scopo di questo approfondimento tecnico è quello di fornire una breve introduzione sulla tecnologia MIMO, spiegando sinteticamente come delle antenne adatte, sviluppate ad hoc, possano ulteriormente migliorare le prestazioni di questi innovativi sistemi multi-antenna.

E' infatti possibile realizzare un sistema multi-antenna i cui elementi radianti vengono customizzati in funzione delle caratteristiche di installazione ed impiego del sistema stesso, sfruttando così al meglio la presenza di cammini multipli presenti in quel determinato scenario operativo, dove l’apparato MIMO si troverà ad operare.

Dopo oltre cent’anni dalla nascita del wireless, ancora una volta l’antenna, anzi in questo caso le antenne, rimangono il punto di forza di un sistema di comunicazione via radio e competenza ed esperienza nel realizzarle rimangono sempre fondamentali.

 

Se ti interessa e vuoi approfondire l'argomento, trovi l'articolo completo scritto dall'Ing. Francesco Zaccarini in un documento tecnico di 9 pagine in formato PDF da scaricare, stampare e conservare. 

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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

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Flaminio Bollini

ElettroMagnetic Services Srl

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