Come tutte le sfide progettuali, la progettazione di schede integrate è veramente molto ambiziosa. Richiede grande controllo di tutte le variabili in gioco ed un coordinamento molto fine per il raggiungimento degli obiettivi progettuali. Prototipare una scheda elettronica, ma anche un componente apparentemente semplice come un'antenna stampata, richiede metodo e grandi conoscenze. In questo articolo concludiamo la serie PCB ART con delle indicazioni sulle tipologie di antenne stampate che possono abilitare il funzionamento del nostro dispositivo di telecomunicazioni, sfruttando le bande più diffuse ed utilizzate da una grande moltitudine di apparecchi, dal GSM fino al 4G, passando per Wi-Fi e Bluetooth. Una volta che avrete guadagnato padronanza con le tipologie di antenne, sarete in grado di progettare un dispositivo di telecomunicazioni qualsiasi, dal più piccolo ed integrato sensore per l’Internet of Things fino alle comunicazioni cellulari. Siete pronti?

Per tutti i progettisti, elettronici e non, quando viene richiesto il prototipo di un determinato sistema, tantissime sono le variabili in gioco. Vengono elencate le specifiche tecniche, le caratteristiche funzionali, le dimensioni, il peso, il costo e tante altre ancora. Come dicevamo in apertura, questo è il terzo capitolo di una serie in cui affrontiamo nel dettaglio queste sfide, suggerendo la strada giusta per raggiungere appieno gli obiettivi delle commesse, ove possibile. Alcuni esempi dei temi che abbiamo affrontato sono stati, nel recente passato, il problema delle interferenze di natura elettromagnetica, troppo spesso sottovalutato perché non immediatamente visibile. È noto, però, che posizionare un dispositivo elettronico che lavora in DC (ovvero in corrente continua) nelle immediate vicinanze di un macchinario ad alta potenza, o in media tensione, è un errore proprio per via delle possibilità di interferenze radiate che, purtroppo, non tardano a manifestarsi. Per porre rimedio ad alcune di queste problematiche, abbiamo dedicato attenzione anche alle tecniche di isolamento, come ad esempio la messa a massa. Guardando più nel dettaglio del singolo circuito integrato, invece, ci siamo occupati di analizzare come vengono dimensionati e distribuiti in un circuito integrato i piani di massa, anche per evitare percorsi conduttivi parassiti.

Oggi focalizziamo la nostra attenzione specificatamente sui circuiti a radiofrequenza che abilitano le comunicazioni. Sappiamo bene che il principio basilare di un'antenna prevede l'utilizzo di un semplice filo percorso da corrente per poter irradiare e, in definitiva, trasmettere. Ciò, però, non può avvenire in maniera casuale ed è necessaria una precisa progettazione dell'antenna. In tal senso, abbiamo visto degli esempi, come il caso del Bluetooth, che abbiamo indicato come emblematico per dimostrare la corretta progettazione, ovvero specificando tutto dell'antenna, dalle dimensioni fisiche coinvolte fino alla tipologia. Per poter essere subito operativi, il caso del Bluetooth è stato analizzato nel dettaglio unendo l’approccio teorico a quello pratico, definendo nello specifico criteri di progetto quali:

• larghezza di banda
• frequenze di funzionamento
• sensibilità
• direttività
• raggio di copertura
• guadagno
• polarizzazione

Concordemente, a progetto finito, è importante sempre valutare la possibilità che si verifichino fenomeni indesiderati come il problema dell'electrical over stress. Qualora si verifichi, è importante saperlo riconoscere ed adottare un approccio proattivo per la sua prevenzione. PCB ART, fino a questa puntata, ha spiegato come l'utilizzo dei circuiti stampati abbia consentito l'eliminazione di alcuni componenti integrati a montaggio superficiale, tra i quali, ovviamente, il più semplice è il resistore. Sfruttando la fisica materiale, abbiamo potuto dimostrare come e perché un resistore può diventare un componente stampato e non più un componente fisico integrato all'interno della scheda. L’utilizzo delle piste conduttive in luogo dei componenti discreti ha consentito anche di migliorare le funzionalità degli stessi, fino a garantire la possibilità di utilizzare i resistori facendoli diventare delle vere e proprie antenne Wi-Fi, delle quali abbiamo potuto vedere insieme geometrie e soluzioni.

In maniera non dissimile, abbiamo analizzato con dovizia di particolari il caso dell’RFID, oggi diventato protagonista assoluto dei più moderni sistemi di comunicazione veicolari ma anche ampiamente utilizzato nella logistica, nell'ammodernamento degli impianti e dei processi produttivi industriali. Sia esso attivo o passivo, il tag RFID è diventato a pieno titolo uno degli elementi abilitanti e dei protagonisti principali della quarta rivoluzione industriale in ambito Internet of Things. Per tutti coloro che, invece di progettare per le comunicazioni a corto raggio oppure basate su identificativo unico, stanno pensando alla comunicazione di massa ed alle reti cellulari, l'analisi del caso emblematico delle antenne per il GSM sarà sicuramente di guida e di ispirazione. Tutt'altra casistica si applica a tutti i progetti ed alle applicazioni ad alta frequenza, per i quali le specifiche sono sicuramente più stringenti da molti punti di vista. I criteri, invece, fortunatamente non subiscono alcuna variazione.

Vale la pena di specificare che la progettazione di un'antenna restituisce un oggetto in grado di funzionare con delle caratteristiche ben determinate. Ciò non vuol dire che l'applicabilità della soluzione progettata sia inerente ad un solo caso specifico. Infatti, un'antenna che operi intorno a 2.4 GHz sicuramente potrà essere largamente impiegata nelle comunicazioni via Bluetooth ma potrebbe esserlo anche nel Wi-Fi. Ovviamente, questi sono nomi commerciali che fanno riferimento ad altrettanti protocolli di comunicazione: è importante, dunque, comprendere che l'applicabilità della progettazione può dipendere dal resto del circuito integrato oppure dalla sua programmazione. Talvolta è possibile che le frequenze di riferimento siano selezionabili oppure che il dispositivo operi soltanto in alcune bande messe a disposizione dalla soluzione protocollare in uso. Questa versatilità è sicuramente uno degli aspetti salienti e più importanti ed interessanti proposti dalla corretta progettazione dei componenti, oltre che della fisica di dispositivi.

In questo terzo capitolo della serie PCB ART, analizziamo nel dettaglio un kit presentato da Texas Instruments all'interno del quale sono presenti tutta una serie di prototipi e di Reference Design per la progettazione di antenne in base alla frequenza di funzionamento prescelta. I casi sono tantissimi e si va da 868 fino a 2.4 GHz. Stiamo, dunque, parlando di antenne che possono funzionare sia nel caso di circuiti a corto raggio sia nel caso di reti cellulari, GSM- GPRS. La differenziazione consente di comprendere come geometrie diverse siano progettate in maniera tale da funzionare in maniera differenziata, si possono adattare a casi diversi.

I principali parametri di scelta di un'antenna sono:

• Radiation pattern
• Polarizzazione
• Ground effect
• Direzionalità
• Dimensione
• Costo
• Performance

Nella selezione della tipologia di antenna corretta, ovvero di quella che meglio si adatta alla specifica applicazione, la verifica dei valori assunti di parametri caratteristici è fondamentale. Un parametro che guida la scelta del progettista è sicuramente il cosiddetto “Radiation pattern”, ovvero, la distribuzione di campo elettromagnetico connessa alla propagazione del segnale e, quindi, alla sua direzionalità. L'analisi di questo parametro, a mezzo di rappresentazioni grafiche funzionali, consente di comprendere se sia opportuno inclinare l'antenna utilizzando una certa elevazione piuttosto che un certo angolo azimutale. Se l'antenna dimostra una sua direzionalità, sarà importante orientarla in maniera opportuna. Se si tratta, invece, di una soluzione omnidirezionale, che quindi prevede una propagazione delle onde elettromagnetiche in maniera isotropa, la sua orientazione potrà essere qualsiasi. Naturalmente, c'è da considerare che la propagazione non dipende soltanto dall'antenna in quanto tale ma anche dal mezzo trasmissivo. Dal punto di vista del progettista, comunque, è giusto supporre l'ambiente circostante ininfluente durante la caratterizzazione dell'antenna. Sarà compito di chi dovrà provvedere all'installazione verificare che l'antenna sia alloggiata opportunamente.

Nelle condizioni più generali in cui possiamo trovarci, supponiamo sempre che il progetto si riferisca ad un'antenna ideale, con propagazione omnidirezionale e che la rappresentazione grafica restituisca un grafico, che sia una sfera perfetta. La rappresentazione grafica di un sistema reale, invece, sarà qualcosa di più simile ad una geometria che presenta dei lobi.

Figura 1. Pattern di radiazione in 3D

Il pattern di radiazione è una rappresentazione grafica estremamente compatta ed efficace il cui scopo è quello di mostrare come l'antenna irradia nello spazio circostante. Ciò vale anche in maniera duale, ovvero per dimostrare la sensibilità dell'antenna in funzione della direzione, considerazione che nasce dalla dualità delle antenne che possono, qualora abilitate a trasmettere, equivalentemente anche ricevere.

La rappresentazione tridimensionale mostrata in figura può essere semplificata analizzando il pattern in una sola direzione oppure in un piano bidirezionale. La scelta dipende molto dal tipo di applicazione. In generale, la rappresentazione 3D è sicuramente quella più completa e considera anche eventuali anisotropie uniassiali. In questo tipo di rappresentazione non è infrequente trovare il riferimento all’azimut ed all'elevazione. Questo perché ci si riferisce ai lobi d'antenna ed alla sua direzione di radiazione in funzione delle coordinate sferiche. La sorgente è, generalmente, sempre considerata puntiforme collocata al centro del sistema di riferimento in uso. Per poter dare una collocazione precisa ed una caratterizzazione completa al comportamento dell'antenna, si preferisce utilizzare un sistema di coordinate sferiche che meglio descrive il comportamento dell'antenna, giacchè si suppone che il miglior funzionamento sia comunque sempre quello omnidirezionale.

Figura 2. Sistema di coordinate di riferimento per un'antenna stampata

È opportuno a questo punto fare una precisazione: se la scelta più semplice è quella dell'antenna omnidirezionale, per quale motivo utilizziamo antenne che invece hanno dei lobi? La risposta è molto semplice: esistono delle applicazioni in cui la direzionalità non rappresenta la scelta ottima.
Immaginate di avere a che fare con il segnale cellulare: gli utenti sono tutti a terra, tutti più o meno distribuiti sullo stesso piano. Utilizzare un'antenna omnidirezionale significherebbe irradiare anche verso lo spazio, cosa che non avrebbe molto senso. Per questo motivo si introduce un guadagno differenziale a seconda di azimut, ovvero coordinate nel piano longitudinale, ed elevazione, ovvero angolazione nel piano verticale. In questo modo si ottiene una rappresentazione complessa ed una migliore direzionalità del fascio.

Un altro fattore che può incidere in maniera importante sulla progettazione è l'identificazione corretta della direzionalità dell'antenna. Per questo motivo, ogni componente, ivi inclusi l'integrato di riferimento e la sua circuiteria di condizionamento, devono necessariamente essere accompagnati da un'indicazione sulla direzionalità e sul sistema di coordinate di riferimento. Qualora non sia disponibile una rappresentazione di questo tipo, il progettista dovrà utilizzare un metodo che viene impiegato quando non è disponibile la rappresentazione polare, ovvero la caratterizzazione in tre piani diversi, entrambi bidimensionali: XY, YZ e XZ. Restituisce lo stesso livello informativo ma decomposto ovvero come se fosse una proiezione su 3 piani distinti. Dalla composizione geometrica di questi elementi si può ricavare la stessa rappresentazione ovvero lo stesso livello informativo. Perché utilizzare un modello 3D allora? Beh è ovvio: l'informazione è immediatamente intellegibile senza bisogno di ricostruire mentalmente il pattern a partire dalle 3 proiezioni distinte. [...]

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