Progettazione e tipologie antenne integrate per wireless e IoT

05/10/2018

Come scegliere l’antenna integrata migliore per garantire una connessione di qualità al tuo apparato IoT

 

NOTA: puoi liberamente scaricare, stampare e conservare la versione in formato PDF di questo articolo cliccando qui.

 

Al giorno d’oggi, chi, come te, lavora nel settore dell’Internet of Things sa benissimo quanto sia importante garantire ai propri Clienti una connessione di qualità, sempre ed ovunque.

Per poter fare questo, tutti gli apparati che vengono realizzati dispongono di antenne integrate con prestazioni tali da sfidare le leggi della fisica e dell’elettromagnetismo, se consideriamo le loro dimensioni sempre più ridotte per la necessità di renderle invisibili a chi utilizza questi apparati.

Purtroppo a volte è possibile imbattersi in fornitori che non sono in grado di fornirti una soluzione adeguata e ti propongono prodotti che, anzichè aiutarti, complicano ulteriormente il tuo lavoro.

 

Ecco quindi alcuni spunti e suggerimenti per riconoscere il fornitore giusto, partendo da tre semplici domande:

 

Ma cosa sono di fatto questi oggetti di cui non possiamo più fare a meno?

Quali sono le tecniche di integrazione più diffuse?

Quali sono le differenze rispetto alle antenne cosiddette “normali”?

 

Dedicando 5 minuti del tuo prezioso tempo alla lettura di questo articolo, avrai le idee molto più chiare in merito a cosa viene effettivamente inserito nei tuoi apparati, quale importanza rivestono le antenne come scegliere il prodotto in grado di garantirti le prestazioni di cui hai bisogno.

 

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DEFINIZIONE DI ANTENNA INTEGRATA

 

Un’antenna si dice integrata quando viene inserita in un dispositivo od apparato ospite ed è pertanto ottimizzata in modo che possa funzionare in tali condizioni, ovvero tenendo conto della particolare applicazione per la quale il dispositivo od apparato è stato sviluppato.

Da un punto di vista elettromagnetico, un’antenna integrata non può essere considerata come un elemento a sé stante, alla stregua di un qualsiasi componente SMD che fornisce le stesse prestazioni indipendentemente da dove viene montato.

Nel caso delle antenne integrate infatti il sistema radiante è costituito dall’insieme antenna più apparato. E’ quindi opportuno che sia elettricamente e meccanicamente compatibile con la parte elettronica dell’apparato in cui viene integrata (circuiti, batteria, cablaggi), con la sua struttura meccanica (layout e contenitore) e con la sua effettiva applicazione (modalità di installazione e servizio).

Inoltre, data la compattezza degli attuali prodotti wireless, il principale vincolo di progetto è dato dalle dimensioni meccaniche dell’apparato, riferite alla lunghezza d’onda λ.

 

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COSA IRRADIA DAVVERO?

 

Una qualsiasi delle antenne cosiddette “normali” è costituita da un assieme di uno o più elementi radianti, unito ad altri componenti che possono essere metallici (riflettore, staffe, supporti, linee di alimentazione, ecc.) oppure realizzati con materiale dielettrico (isolatori, radome, ecc.).

Tutto questo insieme, che possiamo definire sistema radiante in quanto ne dipendono le caratteristiche elettriche dell’antenna (sia di adattamento che di radiazione), viene progettato e realizzato ad hoc per ottenere il massimo delle performance dell’antenna.

 

Nel caso delle antenne integrate il discorso è molto diverso. Infatti tutti i componenti che si trovano nelle vicinanze dell’elemento radiante sono realizzati per uno scopo che riguarda caratteristiche dell’apparato che non interessano l’ottimizzazione del sistema radiante.

 

Tuttavia alcuni di questi componenti contribuiscono fattivamente alla radiazione.

 

E’ quindi opportuno sottolineare un fatto tanto importante quanto ovvio: il sistema radiante non comprende solamente l’elemento radiante, ma anche altri componenti all’interno dell’apparato che svolgono funzioni diverse.

Quando hai la necessità di inserire un’antenna all’interno di un tuo apparato, è quindi necessario non considerarlo come un componente a sé stante, ma devi considerare l’ambiente in cui viene inserita, cercando di identificare di volta in volta le condizioni migliori.

 

Per questo motivo, e come vedremo meglio più avanti, per un’antenna integrata non è possibile prevedere od assicurare determinate prestazioni prima di conoscere esattamente dove questa verrà montata e tutte le specifiche inserite nei datasheet devono essere lette in quest’ottica, considerandole come valori indicativi e non in termini assoluti come viene giustamente fatto per le antenne “normali”.

 

Vedremo più avanti quali fattori è opportuno considerare per verificare l’attendibilità di questi dati nella tua particolare applicazione.

 

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TIPOLOGIE DI ANTENNE INTEGRATE

 

In funzione delle modalità di integrazione, le tipologie di antenne integrate sono essenzialmente tre.

 

Nell’articolo completo redatto dall’Ing. Francesco Zaccarini, scaricabile liberamente in formato PDF cliccando qui, trovi tre figure che schematizzano un circuito stampato o PCB di un apparato, sul quale è implementata la parte elettronica con il chip RF e le diverse tipologie di antenne.

 

Antenna integrata su PCB

 

L’antenna fa parte dello stesso circuito stampato della scheda elettronica e viene alimentata mediante una microstriscia a 50Ω che la collega al pad d’ingresso/uscita RF del modulo radio.

Nel caso in cui fosse necessario adattare l’elemento radiante, si prevede una rete di componenti discreti in SMD.

 

Antenna saldata sulla PCB

 

In questo caso l’elemento radiante, che può essere ad esempio realizzato in lamierino metallico, viene saldato sulla PCB come fosse un normale componente SMD. In corrispondenza del punto di alimentazione viene predisposto un pad di saldatura, sul quale termina la microstriscia che collega l’antenna alla porta radio del chip RF.

In questa categoria è possibile includere la vasta famiglia delle antenne a chip SMD, nonché le antenne integrate dei moderni smartphone, che spesso utilizzano degli elementi radianti strutturali del telefonino come elementi radianti veri e propri.

Anche in questo caso, in corrispondenza della microstriscia di alimentazione, viene integrata una rete di adattamento realizzata mediante componenti SMD.

 

Antenna separata dalla PCB

 

Questa tipologia di antenna è completamente separata dalla PCB e connessa a quest’ultima mediante un corto cavetto coassiale intestato mediante un connettore miniaturizzato, in genere di tipo U.FL o MMCX plug. Sul circuito stampato, in corrispondenza della microstriscia di ingresso al chip RF, viene predisposto un connettore SMD compatibile.

L’antenna, già adattata ai 50Ω dell’impedenza caratteristica del cavo, trova posto all’interno del contenitore e può essere di tipo simmetrico/bilanciato oppure può sfruttare un piano di massa ad hoc, esterno alla PCB stessa.

 

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ANTENNE INTEGRATE DI COMMERCIO O PROGETTATE SU MISURA?

 

Come già anticipato in precedenza, il solo elemento radiante non basta ad ottenere un’antenna integrata efficiente. Nella stragrande maggioranza degli attuali apparati wireless, le dimensioni meccaniche rappresentano un vincolo tutt’altro che trascurabile nella realizzazione di un’antenna integrata performante.

 

Vi sono in commercio antenne integrate (che sarebbe più corretto definire elementi radianti, la differenza ti sarà ormai ben chiara) con ingombri molto ridotti, le quali vengono proposte alla stregua di un qualsiasi altro componente a saldare con tecnologia SMD.

E’ tuttavia necessario tener presente che le specifiche elettriche indicate nei datasheet di queste antenne, sono riferite ad un ben preciso sistema radiante, definito ad hoc dal costruttore e consistente nell’elemento radiante vero e proprio montato su di una cosiddetta evaluation board. L’evaluatin board è caratterizzata da dimensioni meccaniche piuttosto generose rispetto all’elemento SMD ed è solo grazie a questa fixture che le specifiche elettriche dichiarate dal Costruttore sono state caratterizzate e possono considerarsi valide.

 

Risulta quindi fondamentale la verifica di quanto le dimensioni realmente a disposizione nel tuo dispositivo si avvicinino a quelle della evaluation board. Nel caso in cui queste dimensioni non siano sufficientemente vicine, andresti incontro a due possibili scenari: primo, le prestazioni dell’apparato sono insufficienti a garantire le funzionalità previste ed il superamento delle eventuali prove di certificazione; secondo, è necessario che tu riveda le dimensioni dell’apparato per garantire il giusto spazio all’antenna.

 

In alternativa, la soluzione che ti permette di ottenere le prestazioni necessarie senza sconvolgere la meccanica e le dimensioni dell’apparato, è quella di progettare un’Antenna Su Misura. Inoltre, svolgendo questa attività in contemporanea allo sviluppo delle altre parti dell’apparato, potrai tenere conto anche di altri importanti aspetti, come il costo dell’antenna in produzione e la semplificazione della sua integrazione nel dispositivo nella successiva fase di montaggio.

 

E’ quindi consigliabile, nelle attività preliminari di scelta della soluzione migliore, che tu tenga sempre in considerazione il rapporto costo/vantaggi di un’attività di questo tipo, che ti garantirà anche di poter contare su di una risorsa esclusiva sempre a tua disposizione, se consideri che, al contrario, l’eventuale antenna a chip scelta potrebbe un giorno uscire di produzione.

 

In conclusione, la scelta di un’antenna integrata non è un’attività semplice e priva di rischi come alcuni vorrebbero farti credere. E’ necessario tener conto delle specifiche condizioni dell’apparato in cui la vuoi integrare, così da poter scegliere la migliore soluzione possibile tra quelle a disposizione, sia che si tratti di un’antenna a chip SMD o di un’Antenna Su Misura progettata ad hoc per te.

 

Se ti interessa e vuoi approfondire l'argomento, abbiamo preparato per te un documento tecnico di 7 pagine redatto dall'Ing. Francesco Zaccarini in formato PDF da scaricare, stampare e conservare.

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Flaminio Bollini

ElettroMagnetic Services Srl

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