[PCB ART 2] – Progettazione ad Alta Frequenza

La progettazione è una vera e propria sfida, fatta di variabili ma anche di criteri. Fino a questo momento la nostra rubrica PCB ART 2 è stata incentrata sulla spiegazione di questi aspetti e sono state affrontate sfide precise. Ma ci sono casi, nella progettazione, in cui bisogna ragionare in maniera più astratta, analizzando diversi casi contemporaneamente e valutando le soluzioni ai singoli problemi che poi comporranno il sistema finale. Abbiamo trattato diversi argomenti, partendo dal semplice resistore, fino alla progettazione di antenne per applicazioni anche molto diverse tra loro, ad esempio GSM, Wi-Fi, Bluetooth e tanto altro ancora. In quest'ultima puntata vedremo quali sono le sfide che ci si pongono davanti nella progettazione di antenne ad alta frequenza. Buona lettura.

Tanto per iniziare, se vogliamo davvero parlare di che cosa sia la progettazione ad alta frequenza abbiamo intanto bisogno di capire cosa vuol dire l'aggettivo "alta". Ecco, un valore ad alta frequenza è sicuramente 13.56 MHz che, come abbiamo già visto, è una delle due frequenze operative quando si vogliono progettare tag RFID.

Queste antenne possono essere accordate ai requisiti richiesti dalla specifica applicazione, per cui non si tratta semplicemente di progettare in ambito RFID ma di comprendere meglio e più approfonditamente le caratteristiche e le specifiche di ciascuna applicazione.

Come per tutte le applicazioni, vanno tenuti in conto alcuni fattori, principalmente dovuti all'effetto che ha la distanza tra chi trasmette e chi riceve; questa, infatti, specie quando si parla di comunicazioni contactless, è una variabile cruciale che, al di là delle dimensioni, influenza l'SNR, la schermatura ma anche il flusso magnetico.

La strumentazione

(n.d.r.:Approfondiamo questo aspetto perché uno dei nostri utenti lo ha richiesto e, come sapete, EOS-Book è OnDemand!)

Che tipo di strumenti servono, allora, per effettuare una caratterizzazione completa delle comunicazioni e quindi dei sistemi in uso? Prima di tutto ci occorre un Voltage Standing Wave Ratio meter (indicato in uno degli articoli già pubblicati con l'acronimo VSWR). A che cosa serve?
Per esempio, restando in tema con l'RFID, può essere frapposto tra il lettore e l'antenna in maniera tale da indicare l'efficienza del matching. Questo risultato viene ottenuto perché si misura il rapporto tra il segnale diretto e quello riflesso e se c'è perfetto matching il rapporto sarà 1:1; in questa ipotesi non ci sono perdite. Per poterlo studiare al meglio il sistema deve essere caratterizzato misurando tra i 5 ed i 20 W, indicando la potenza d'uscita.

Non è l'unico strumento che serve perché l'analizzatore d'antenna è fondamentale. Questo strumento può rilevare le caratteristiche dell'antenna senza che il lettore sia connesso. Si tratta di un generatore di segnale a frequenza variabile che misura il matching in funzione di frequenza, impedenza e VSWR.
È uno strumento utile anche per misurare il fattore di qualità, del quale comunque approfondiremo tra poco.

Sembra inutile dirlo ma lo diciamo spesso: non potete fare a meno dell'oscilloscopio! Ricordate che è fondamentale che ci sia una larghezza di banda di almeno 20 MHz e che lo strumento abbia due canali. Inutile specificare, ovviamente, che più lo strumento è veloce, più sono i campioni che riesce ad elaborare al secondo e, in definitiva, migliori sono le sue specifiche, più accurati e pertinenti saranno i risultati finali.

Vi serve, inoltre, un indicatore del livello di carica

figura 3

ed insieme a questi strumenti potrebbe essere utile un'applicazione software che elabori tutti questi dati.

Considerazioni progettuali

Fermo restando tutto quello che abbiamo già detto su RFID, sono fondamentali le risposte ad alcune domande:

  • qual è la distanza operativa?
  • qual è l'orientazione?
  • a che velocità lavora il sistema?
  • qual'è il traffico previsto?

Tante di queste domande richiedono una risposta prima ancora di cominciare.

Cominciamo col dire che possiamo immaginare che le dimensioni dell'antenna siano 500 × 500 mm e che possono funzionare a circa 600 mm a 4W. Questi primi numeri già restituiscono uno scenario operativo funzionale. Con antenne più grandi, e maggiori potenze in gioco, le distanze aumentano e si può coprire non più 1 mm, 2, 3 ma anche a 10 o 15.

Per quanto riguarda l'orientazione, invece, una figura può spiegarci l'importanza del cosiddetto "Inlay"
figura 4
Le linee di forza del campo magnetico associate all'antenna sono perpendicolari alla stessa e questo risulta un modo efficace per avere accoppiamento. Non è detto che altre direzioni funzionino nello stesso identico modo per tutte le antenne e per tutti i sistemi. Questo va caratterizzato e, in particolare, garantito.

Per rispondere alla terza domanda, il baud rate può avere diversi valori ed uno tipico è 115.2 kbps. In questo caso il lettore può leggere un singolo elemento circa 60 volte al secondo. La lettura multipla, e quindi l'identificazione multipla, ha tempi differenti e va gestita e garantita la simultaneità.

Il traffico previsto può aumentare in funzione dell'inlay: maggiore è il tempo di prossimità, più dati bisogna trasferire, più alta deve essere la velocità di trasferimento.

Leggi e regolamenti

Chi ci conosce da più tempo sa bene che noi siamo molto preoccupati della compatibilità elettromagnetica e dei possibili danni dovuti alle interazioni con il materiale biologico da parte delle onde elettromagnetiche.
Fortunatamente esistono organi istituzionali, associazioni e persone competenti che lavorano alla creazione di leggi e regolamenti sempre aggiornati. Va tenuta d'occhio, sia per l'Europa sia per gli Stati Uniti d'America, tutta la letteratura prodotta dalla FCC, dall'Organizzazione Mondiale della Sanità, dalla comunità europea e dei vari ministeri.
Vi suggeriamo di leggere EN 300 330 e FCC CFR47 Part 15 e tutto ciò che riguarda la trasmissione a radiofrequenza e la dosimetria.
C'è così tanto da studiare e così tanto da approfondire che questo campo di ricerca avrà, ne siamo sicuri, nel futuro un ruolo fondamentale.

Ma torniamo a parlare specificatamente dei problemi ambientali con particolare attenzione alle componenti di disturbo. Tra le cause c'è sicuramente il problema legato alla rumorosità introdotto dall'elettronica, il quale va comunque caratterizzato prima di realizzare l'antenna con opportune simulazioni. Questo risolve il problema di dover correre ai ripari in un secondo momento. In generale le sorgenti di rumore elettriche tendono ad influire sulle prestazioni del ricevitore accorciando il range operativo.
È possibile utilizzare soluzioni quali i Balun, dei quali, come richiesto da alcuni utenti, parleremo molto presto.

Anche la presenza di contenitori oppure boxe oppure semplici dei singoli elementi metallici può creare interferenze, come vi abbiamo raccontato al tempo di PCB ART, la presenza di altre antenne vicine può causare interferenze, fungendo da fonte di disturbo ed abbassamento della qualità del segnale. L'accoppiamento, in alcuni casi, soprattutto quando ci siano antenne passive, può anche essere opportunamente sfruttato.

Materiali e problematiche pratiche

La vera base della progettazione è lo studio delle caratteristiche dei materiali; l'abbiamo già visto per i resistori e le antenne non fanno differenza perché se da un lato è vero che prevalentemente sono costituiti da materiale conduttore, in realtà esistono delle alternative, per esempio l'alluminio. Alcune di queste soluzioni, però, risultano di costo più elevato oppure più difficili da saldare oppure possono proporre specifiche problematiche. In questo caso, soprattutto per quanto riguarda le grandi antenne dove l'induttanza può diventare molto alta, è possibile che vengano utilizzate delle strip di grande dimensione (compresa fra 30 e 50 mm).

Questo genere di considerazioni non vale soltanto per gli elementi resistivi ma anche per le capacità: i condensatori possono essere ceramici o meno ma si differenziano anche per le tensioni operative cui possono lavorare. Un condensatore in uso in queste antenne dovrebbe essere in grado di lavorare ad alti valori di tensione.

Non c'è soltanto un fattore tecnologico a dettare la scelta del materiale ma anche una nuova pratica cioè la scelta del componente può far variare in maniera anche considerevole il fattore di qualità dell'antenna, dal momento che quest'ultimo dipende dalla potenza in uscita. Per misurare questa grandezza, che descrive le prestazioni dell'antenna, possiamo studiare la larghezza di banda
figura 10
come abbiamo detto, in linea generale, più alto è il fattore di qualità, maggiore sarà l'uscita di potenza sempre rispetto alla particolare dimensione. Come spesso accade, però, non si può alzare a dismisura un parametro senza aspettarsi che questo abbia degli effetti collaterali: un fattore di qualità troppo elevato può entrare in conflitto con la banda passante caratteristica del lettore e questo può creare dei problemi in particolare nei tempi di trasmissione legati al protocollo. Proprio per questo motivo il fattore di qualità dell'antenna connesso ad un carico pari a 50 Ohm dovrebbe essere 20 o anche di meno.

La resistenza totale in alternata non è semplice da calcolare e misurare e pertanto si considera lo schema in figura
schema
ottenendo

eq 4

dalla quale si ricava facilmente la resistenza parallelo perché il fattore di qualità è posto pari a 20, la frequenza l'abbiamo già pari a 13.56 MHz e l'induttanza è propria della geometria in analisi. Il fattore di qualità dell'antenna può essere misurato in maniera semplice se si ha a disposizione uno strumento capace di generare frequenze comprese tra 13 e 14 MHz. Questi due valori dipendono proprio dalla frequenza operativa di riferimento del caso specifico (e pertanto dovranno essere viste in funzione della specifica applicazione volta per volta).

Stiamo utilizzando queste due frequenze per valutare il grado di separazione dei picchi. Rispetto alla frequenza centrale f0, il fattore di qualità viene definito come

eq 8

Se utilizziamo l'oscilloscopio invece dell'analizzatore di spettro per effettuare questa stessa analisi, il metodo è leggermente differente perché il massimo valore di tensione viene registrato in corrispondenza del valore di frequenza moltiplicato per 0.707, ovvero (√2)/2. Il valore che si ottiene è quello equivalente a -3 dB.

Il Matching

L'adattatmento, o matching, dell'impedenza è certamente il passaggio fondamentale per garantire il corretto funzionamento di trasferimento ottimale della tensione. Per esempio vale se parliamo dell'antenna e del suo alimentatore coassiale. L'adattamento cambia l'indipendenza dell'anello risonante e l'accuratezza dell'adattamento può essere controllata tramite VSWR, (<1:1.2).

Ci sono sostanzialmente 3 modi per effettuare l'adattamento:

  • gamma/T matching;
  • transformer matching;
  • capacitance matching.

Prima di fare qualsiasi operazione è fondamentale ricordare un concetto: bisogna sempre operare senza alimentazione!

Nel primo caso, il più semplice ed economico, il circuito equivalente è riportato in figura

figura 12

si tratta di un sistema non bilanciato e se si utilizza un balun si può ovviare a questo problema.

Una volta che l'induttanza dell'antenna è stata determinata, il cavo, nonché la sua schermatura, vengono connessi al centro dell'antenna, sul lato opposto al condensatore.

figura 13

Il secondo caso prevede un circuito equivalente fatto così

figura 16

In questo caso di adattamento si ha una situazione bilanciata perché entrambi i lati del campo sono collegati mentre nel caso precedente il collegamento era unico.

L'immagine di seguito mostra un'antenna T-matched Tape

figura 18

Nella terza situazione, invece, quando si usa un trasformatore, il circuito equivalente è quello mostrato qui di seguito:

figura 20

in cui viene utilizzato un balun, un trasformatore e poi l'antenna il che vuol dire che sono richiesti due elementi distinti cioè il trasformatore vero e proprio e poi anche il balun. In questo caso, per determinare se l'adattamento sia riuscito bisogna misurare o calcolare l'induttanza dell'antenna, il valore della componente capacità e poi quella della resistenza necessari per la determinazione del valore del fattori di qualità.

Ma che vuol dire avere un trasformatore? Bisogna calcolare il rapporto di trasformazione e per farlo si utilizza la seguente

eq 9

figura 21

Conclusioni

Quello che abbiamo visto quest'oggi rappresenta un compendio della tecnica realizzativa delle antenne ad alta frequenza. Come avrete certamente notato, la progettazione risulta del tutto analoga e sovrapponibile a quella degli altri casi già visti in precedenza. Ciò non è un caso ma dipende dal fatto che la progettazione resta null'altro che una serie di richieste da soddisfare partendo dalle specifiche fino ad arrivare alla completa caratterizzazione del dispositivo. Siamo a disposizione nei commenti.

2 Commenti

  1. Gius_Res Gius_Res 12 novembre 2014
  2. Piero Boccadoro 12 novembre 2014

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