[PCB ART 2] – il GSM

Bentornati a PCB ART 2, la nostra rubrica dedicata alla progettazione. Nelle scorse puntate abbiamo parlato della progettazione di antenne per le comunicazioni Bluetooth, abbiamo visto quali sono i criteri di progetto quando parliamo di Wi-Fi, oppure di comunicazioni a breve distanza, o contacless. Precedentemente abbiamo anche studiato resistori da realizzare mediante semplici piste conduttive. Il tema di oggi, invece, sono le comunicazioni GSM ed il progetto di un'antenna di questo tipo, attraverso problematiche, domande e test. Buona lettura a tutti voi.

Il flusso di progetto, come modus operandi, non cambia a seconda di che cosa si stia progettando: bisogna sempre avere ben chiare le specifiche di partenza, immaginare lo strumento più adatto, mettere insieme tutte le informazioni che si hanno, sintetizzare il progetto e poi verificare ciò che si è fatto.

figura 1

Quella che vi abbiamo appena mostrato è una immagine di un prototipo. Ma come si arriva ad ottenere un risultato di questo tipo?
È fondamentale fare un primo passo verso il progetto, lavoreremo su una semplice antenna dipolare, la quale va successivamente simulata per poi poter diventare un prodotto commerciale. Esistono software dedicati che possono essere utilizzati per la progettazione ad alta frequenza e questi consentono di effettuare simulazioni anche di alto livello.
Ma come dicevamo prima di arrivare a tutto questo bisogna capire esattamente che tipo di strumenti stiamo utilizzando e quali sono i fondamenti teorici su cui ci basiamo.

In principio è matematica

Quando abbiamo parlato delle antenne Wi-Fi vi abbiamo mostrato una serie di geometrie ed anche in questo caso va considerata la struttura dipolare perché è la più semplice e quella che, nel corso del tempo, è stata più largamente impiegata ed oggi la troviamo al lavoro in una grandissima varietà di applicazioni e dispositivi.
La struttura dipolare è costituita, come abbiamo visto, da due linee conduttive della stessa lunghezza che si trovano sullo stesso asse e che siano separate da un piccolo gap; tale struttura viene alimentata da un singolo punto e la distribuzione di corrente è di tipo sinusoidale:

eq 1

e dal momento che la lunghezza è un parametro, si possono anche utilizzare diverse lunghezze per trasmettere la stessa frequenza. Approfittiamo della prossima figura per visualizzarlo in maniera più immediata

figura 3

La lunghezza dell'antenna è, dunque, il fattore principale che influenza la frequenza di trasmissione (ovvero quella di ricezione) e questo vale per multipli di metà della lunghezza d'onda; bisogna considerare che la propagazione dell'onda elettromagnetica differisce tra il caso di propagazione in spazio libero e quello all'interno di un conduttore.
C'è un legame tra le due affermazioni ed è il fattore (A) per il quale bisogna moltiplicare la lunghezza d'onda nel caso di propagazione in spazio libero per ottenere l'equivalente lunghezza d'onda elettrica

figura 4

Così, la lunghezza per un dipolo a mezz'onda viene calcolata come:

l= cA /2f => l=0.44 c/f

La geometria dell'antenna di cui stiamo trattando, si intuisce, prevede un pattern di irradiazione omnidirezionale e questo dipende proprio dalla sua struttura; ci aspettiamo due lobi di irradiazione (pattern rappresentato su scala lineare a sinistra e logaritmica a destra)

figura 5

Ed ecco una domanda per voi: perchè l'antenna deve essere omnidirezionale?

Ma veniamo al valore di tensione: vogliamo essere in grado di effettuare una misurazione dell'antenna e possiamo pensare di caratterizzare la riflessione: se questo fenomeno è "basso", la quantità di energia che viene fornita al sistema è alta e quando il sistema è un'antenna questo vuol dire che il segnale viene emesso. Ma bisogna considerare anche che parte di questa energia viene persa, per esempio se l'antenna è collegata tramite un cavo non ideale, cioè un cavo qualunque, che avrà un suo assorbimento, proprio perché abbiamo visto che anche una pista conduttiva di fatto è un resistore che può dissipare potenza.
Questo studio può essere effettuato utilizzando i parametri di scattering, ed in particolare S11, un numero complesso che utilizziamo nell'espressione

eq 2

VSWR ha valore unitario quando l'intero segnale è assorbito dal sistema e per poterlo caratterizzare al meglio è necessario visualizzare graficamente VSWR in funzione della frequenza, tramite la carta di Smith.

Chiariti i presupposti del funzionamento elettrico e della caratterizzazione della struttura, resta da comprendere al meglio la rete GSM, i meccanismi di accesso e funzionamento, le frequenze specifiche, la larghezza di banda disponibile, la velocità del canale e tanto altro ancora, soprattutto perché queste caratteristiche non sono identiche tra loro in tutto il mondo.

La rete GSM è considerata una rete sicura sia per la trasmissione dei dati sia per la voce. Funziona con accreditamento univoco, grazie ad un Subscriber Idenity Module (se la chiamiamo SIM vi è sicuramente più familiare, vero?) e tramite accesso contemporaneo alla rete, Time Division Multiple Access, per il quale il segnale viene trasmesso in slot temporali, il che consente a più utenti di dividersi il mezzo trasmissivo. I canali sono da 220 kHz e sono composti da 8 slot da 25 kHz, che supporta un trasferimento di dati di 9.6 kbps.

La più grande distanza che il GSM può coprire è di soli 35 km, ecco perchè il sistema è diviso in celle e costituito da tantissime stazioni trasmittenti.

Il progetto

Definita la frequenza di interesse, supponiamo 2.1 GHz, ricaviamo, grazie all'equazione riportata in precedenza, la lunghezza dell'antenna, pari a 63 mm. Non resta che simularla, ottenendo grafici di questo tipo

fig 8

dalla quale si desume chiaramente che l'antenna sembra avere un matching perfetto ed un minimo a 1.88 GHz. La larghezza di banda è pari a 0.22 GHz, cioè 220 MHz.
È importante far notare che tra il risultato teorico, quello simulato ed un primo prototipo, è possibile ci siano delle differenze anche sostanziali, addirittura con risultati che differiscono del 10% tra ciascuna fase.

Esistono esempi differenti di soluzioni già implementate.
Per esempio SmartWing, che lavora a 824-960 MHz, 1710-1900 MHz, ben evidenti nelle figure che seguono. Si tratta di una soluzione in cui le differenze tra i risultati sperimentali e quelli simulati non sono sensibili

figura 12

figura 13

le lunghezze che corrispondono alle frequenze centrali possono essere calcolate come segue

eq 3

Quando succede che i calcoli teorici non corrispondono ai risultati ottenuti nelle simulazioni è necessario porre rimedio, alterando la struttura, per esempio cambiando leggermente la forma, o lo spessore

figura 17

figura 18

o magari aggiungendo degli angoli e, perché no, aumentare ancora gli spessori, cambiare i feeder in dimensione, tipo e posizionamento oppure anche aggiungere nuovi elementi. Insomma, le modifiche possono essere tantissime fino a giungere a qualcosa di anche molto differente rispetto ai precedenti e vanno fatte una per volta.

figura 23

I risultati finali sono evidenti: la larghezza di banda è molto migliore ed in entrambi i casi VSWR è molto vicino all'unità, il valore migliore che si possa ottenere. Anche la direttivity dell'antenna è cambiata, ed ora è pari a 3,42 dB, mentre il guadagno è 2,51 dB.
Ecco, quindi, i risultati dei test

figura 27 figura 28

Conclusioni

Questo esperimento di studio, caratterizzazione, realizzazione e test finale dimostra come sia semplice ma nel contempo laborioso perfezionare le prestazioni di un'antenna ma soprattutto quale sia il profondo connubio esistente tra la realizzazione fisica e le caratteristiche geometriche rispetto alle prestazioni e al comportamento frequenza. Nella progettazione e, dunque, fondamentale partire con un'idea chiara di quello che si intende realizzare ma essere pronti a rivedere il proprio lavoro in un meccanismo virtuoso di continua correzione.
Con questo speriamo di avervi dato una buona serie di risposte ma naturalmente siamo a disposizione nei commenti per analizzare ulteriormente insieme i temi ed eventualmente approfondirli ancora.
Alla prossima.

STAMPA     Tags:, , , ,

2 Commenti

  1. Giorgio B. Giorgio B. 30 ottobre 2014
    • Piero Boccadoro Piero Boccadoro 30 ottobre 2014

Scrivi un commento