Criteri e strumenti per la selezione delle antenne fino a 2,4 GHz

In questo articolo parleremo di antenne per applicazioni RF con frequenze fino a 2,4 GHz. In particolare, analizzeremo i concetti di base e i criteri guida per selezionare l’antenna più adatta a una specifica applicazione, presentando un semplice kit come possibile riferimento per il progettista nella scelta dell’antenna basandosi su una stima precisa delle prestazioni e del grado di efficienza ottenibili.

Introduzione

L’antenna è un componente critico nelle applicazioni RF, e in particolare in quelle wireless. La copertura wireless ottenibile con un dispositivo di bassa potenza (tipicamente alimentato da una normale batteria a bottone) dipende da come sono stati realizzati il circuito d’antenna, il contenitore, e il PCB. In Figura 1 possiamo osservare i componenti critici di un sistema wireless, composto da un trasmettitore (TX) e da un ricevitore (RX).

Figura 1: tipica applicazione wireless a corto raggio

Un’antenna ben progettata è in grado di incrementare la distanza operativa coperta dal dispositivo wireless. Maggiore è la potenza in grado di trasmettere, maggiore sarà la distanza a cui il segnale potrà essere captato dal ricevitore. Il layout RF, insieme alla rete di accoppiamento, devono essere opportunamente progettati in modo tale che l’antenna riceva la massima percentuale possibile di potenza, aumentando l’efficienza del trasmettitore.

Concetti base sulle antenne

Un'antenna è fondamentalmente un conduttore esposto nello spazio. Se la lunghezza del conduttore corrisponde a un particolare rapporto o multiplo della lunghezza d’onda del segnale, esso diventa ed è assimilabile a un’antenna. Questa condizione viene indicata con il termine di “risonanza”, poichè l’energia elettrica fornita all’antenna viene irradiata nello spazio. Nell’esempio di Figura 2, il conduttore ha una lunghezza pari a λ/2, dove λ rappresenta la lunghezza d’onda del segnale elettrico. Il generatore di segnale alimenta l’antenna nel suo punto centrale, tramite il cavo d’antenna (antenna feed). Nella parte bassa di Figura 2 possiamo osservare gli andamenti della tensione e della corrente lungo il conduttore.

Figura 2: il caso più semplice di antenna a dipolo

La geometria di un’antenna dipende principalmente da due fattori:

  1. la lunghezza dell’antenna;
  2. l’antenna feed.

Abbiamo appena visto come l’antenna a dipolo utilizzi un conduttore di lunghezza pari a λ/2. Tuttavia, la maggior parte delle antenna realizzate sui circuiti stampati è in grado di ottenere le stesse prestazioni utilizzando un conduttore di lunghezza pari a λ/4 (Figura 3).

Figura 3: antenna a quarto d’onda

Ponendo un piano di massa a una certa distanza sotto il conduttore, si viene a creare un’immagine della stessa lunghezza (λ/4). Se combinati, questi due rami funzionano come un’antenna a dipolo. Questo tipo di antenna viene chiamato antenna monopolo a quarto d’onda (λ/4). Molte delle antenne realizzate direttamente sui PCB sono di questo tipo, con un piano di massa in rame.

Per un’antenna PCB a quarto d’onda, i fattori principali da considerare sono:

  1. la lunghezza dell’antenna;
  2. l’alimentazione dell’antenna (antenna feed);
  3. forma e dimensioni del piano di massa e del piano di ritorno del segnale.

Tipi di antenne

Come descritto in precedenza, ogni conduttore di lunghezza  λ/4 immerso nello spazio libero e posto sopra un piano di massa con un'opportuna alimentazione, può funzionare efficacemente come antenna. La lunghezza dell’antenna dipende dalla lunghezza d’onda del segnale, e quindi si possono avere varie [...]

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Una risposta

  1. Maurizio Di Paolo Emilio Maurizio Di Paolo Emilio 26 maggio 2017

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