Le applicazioni per l'Internet delle Cose (IoT) si basano su una connettività affidabile per accedere ai dati dei sensori o per controllare dispositivi e macchine. Le prestazioni delle interfacce wireless sono quindi fondamentali per il successo delle applicazioni IoT che utilizzano reti wireless. Questo articolo introduce degli elementi guida nella progettazione IoT, con lo scopo di aiutare i progettisti di dispositivi a selezionare, integrare e ottimizzare l'antenna più adatta per ottenere le prestazioni radio desiderate.
Introduzione
In un laboratorio di prova è possibile simulare un ideale ambiente radio libero da ostacoli, riflessioni, distorsione e interferenza, consentendo di stabilire dei collegamenti in linea di vista (LOS) perfetti. Ma, nella realtà, i dispositivi wireless devono affrontare l'ambiente radio del mondo reale, con alcune applicazioni IoT più in sofferenza di altre. Ad esempio, le applicazioni dei contatori intelligenti spesso connettono diverse migliaia di contatori d'acqua installati negli scantinati. Tali dispositivi hanno una copertura di rete limitata. Le migliori prestazioni RF della categoria sono quindi essenziali per garantire che tutti i contatori abbiano accesso continuo alla rete. Oltre a copertura e portata, velocità di trasmissione dati, latenza e consumo di energia dipendono anche dalle prestazioni radio e dalla capacità di trasmettere e ricevere in modo efficiente le onde radio. In condizioni RF difficili, i messaggi potrebbero andare persi e devono essere inviati di nuovo dai livelli superiori o il modem deve applicare tecniche di ampliamento della copertura. In entrambi i casi, verrà esteso il tempo dei dispositivi per la trasmissione, riducendo così la vita della batteria. Le implicazioni in termini di latenza e tempi di reazione sono evidenti. Garantire una connettività affidabile in ambienti radio difficili richiede un robusto design dell'antenna. Inoltre, in un mondo dove la connettività senza fili è onnipresente, molte tecnologie wireless competono in uno spettro di frequenze limitato e spesso operano insieme nelle bande di frequenze esenti da licenza come la banda a 2,4 GHz. Di conseguenza, è necessario considerare come affrontare l'aumento di rumore e interferenza in ambienti fortemente affetti da percorsi multipli. Le antenne sono vincolate dal fattore di forma, l'alloggiamento e la progettazione elettronica. Per ottimizzare le prestazioni RF, i progetti dovrebbero ridurre al minimo le interferenze tra le antenne massimizzando l'efficienza e la larghezza di banda.
Selezione in base ai datasheets
Il processo di selezione dell'antenna giusta per la propria applicazione può essere impegnativo. Una riuscita integrazione di antenne, in particolare quelle embedded, richiede la comprensione che l'intero dispositivo è una specie di estensione dell'antenna. È quindi utile avere una conoscenza di base dei parametri chiave dell'antenna e di essere a conoscenza delle differenze e insidie interpretative. I seguenti parametri standard per antenna elettrica, ad esempio, sono riportati nella maggior parte delle schede tecniche (datasheets):
- Frequenza, gamma di frequenza
- Polarizzazione
- Impedenza
- VSWR, VSWR massimo
- Return loss, Return loss massimo
- Efficienza di radiazione, efficienza media, efficienza totale
- Guadagno di picco, guadagno medio, guadagno massimo, guadagno minimo
- Grafici del diagramma di radiazione
Tutti i parametri e i grafici elencati sono tipicamente misurati nello spazio libero o con un piano di massa di riferimento come specificato nella scheda tecnica.
Adattamento dell'impedenza
Per un'efficienza ottimale, l'antenna deve risuonare alla frequenza operativa (f). Questo è essenzialmente il caso in cui la lunghezza degli elementi radianti dell'antenna è un multiplo/frazione intero della lunghezza d'onda (λ = c/f, dove c è velocità della luce). Le dimensioni ottimali di un'antenna dipendono dal tipo di antenna (Figura 1). Per esempio, un'antenna a dipolo risuona meglio quando la sua lunghezza è metà della lunghezza d'onda. Per le antenne unipolari, in genere si utilizza un quarto di lunghezza d'onda a causa dell'effetto del piano di massa.
Una buona efficienza totale di un sistema di antenna trasmittente può essere raggiunta solo quando la potenza inoltrata (PFOR) è trasferita quasi interamente dal trasmettitore all'antenna (potenza accettata PACC). Ciò richiede l'adattamento di impedenza tra il sistema RF e l'antenna. Un sistema di antenna mal adattato rifletterà parte della potenza (PREF) verso il trasmettitore. Una misura comune di quanto bene l'impedenza dell'antenna sia adattata alla linea di trasmissione è nota come rapporto di onda stazionaria di tensione (VSWR). Nei casi reali, ci sarà sempre un piccolo disadattamento tra la rete di trasmissione e l'antenna, che causerà una certa percentuale di potenza riflessa (PREF) dall'antenna verso la sorgente. L'onda in avanti e l'onda riflessa interferiranno tra loro nella linea di trasmissione (LdT), creando un'onda stazionaria di tensione che può essere valutata numericamente dal parametro VSWR. Il VSWR è un numero reale sempre maggiore o uguale a 1. Un VSWR di 1 indica che l'antenna è perfettamente adattata alla linea di trasmissione. Valori di VSWR più elevati indicano prestazioni peggiori. Ad esempio, un VSWR di 3,0 indica che circa il 75% della potenza è accettata dall'antenna. Oltre al VSWR, anche il Return Loss (RL) è usato per esprimere la qualità dell'adattamento dell'antenna. In generale, un VSWR di 6 o più deve essere migliorato. Un VSWR inferiore a 2 o un Return Loss superiore a 10 dB è spesso considerato un buon adattamento dell'antenna. Il VSWR viene utilizzato anche per definire parametri aggiuntivi come la larghezza di banda dell'impedenza, che descrive la gamma di frequenze su cui l'antenna può irradiare o ricevere energia correttamente.
Efficienza d'antenna
L'efficienza di radiazione di un'antenna è definita come il rapporto tra la potenza accettata dall'antenna (PACC) e la potenza irradiata dall'antenna (PRAD). Un'antenna altamente efficiente irradierà la maggior parte della potenza.
L'efficienza dell'antenna può essere descritta in termini di perdite da:
- resistenza di radiazione (RR), causata dalla radiazione di onde elettromagnetiche dall'antenna
- resistenza parassita (RP) causata dalla conduzione e altri fattori
I termini efficienza totale ed efficienza totale dell'antenna vengono talvolta utilizzati. Tali termini descrivono il rapporto tra la potenza trasmessa all'antenna (PFOR) e la potenza irradiata (PRAD) e quindi coprono sia gli aspetti di adattamento che quelli di efficienza della radiazione. Ricapitolando, l'adattamento dell'antenna può essere verificato e ottimizzato in base alle misurazioni di VSWR. Mentre l'efficienza d'antenna permette una visuale più ampia ed è uno dei parametri fondamentali di un'antenna. La Figura 2 riassume le potenze in gioco in un collegamento tra trasmettitore, linea di trasmissione e antenna.
Quindi, nell'adattamento di impedenza i parametri più importanti sono:
- coefficiente di riflessione Γ = √(PREF/PFOR)
- Return Loss RL = -20log|Γ|
- VSWR = (1 + |Γ| ) / (1- |Γ|)
Mentre, nell'efficienza d'antenna i parametri più importanti sono:
- resistenza di radiazione RR = PRAD / I2
- resistenza parassita RP = PLOSS/ I2
- PACC = I2RR + I2RP = PRAD + PLOSS
- efficienza di radiazione η = PRAD / PACC = PRAD / (PRAD + PLOSS)
Polarizzazione e radiazione
La polarizzazione dell'antenna è influenzata dalla direzione della componente del campo elettrico. Ogni antenna ha una sua polarizzazione caratteristica. La polarizzazione dell'onda elettromagnetica ricevuta deve corrispondere alla polarizzazione dell'antenna ricevente per funzionare efficacemente. Questo, assicura che la massima quantità di energia venga convertita in un segnale elettrico. Se la polarizzazione dell'antenna ricevente non corrisponde a quella del segnale in ingresso, il livello del segnale diminuirà di conseguenza.
Ci sono diversi tipi di polarizzazione.
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