OnBoard Stamped Metal Antennas: alta efficienza nelle trasmissioni dati

La tecnologia di oggi impone frequenze di trasmissione molto alte, nell’ordine dei gigahertz. Le dimensioni, le forme e gli ingombri delle antenne, pertanto, costituiscono i fattori principali che influiscono sulla resa finale delle soluzioni. Abracon ha messo a punto le “OnBoard Stamped Metal Antennas”, oggi distribuite da MOS. Andiamo a scoprire in dettaglio le loro caratteristiche e come sono implementate nei sistemi ad alta frequenza.

Le antenne

Le antenne non sono tutte uguali e la loro specifica applicazione influisce in modo importante sulla forma e sulle dimensioni fisiche. Esse funzionano meglio su alcune frequenze e non su altre. La selezione dell’antenna dipende fortemente dalle frequenze di lavoro del sistema. I segnali radio a bassa frequenza hanno un comportamento simile ai segnali audio a bassa frequenza, viaggiano attraverso gli oggetti e non sono direzionali. I segnali ad altissima frequenza, invece, si propagano con una forte direzionalità e gli ostacoli tendono ad attenuare fortemente la loro forza e la loro azione.

Le dimensioni di un’antenna sono inversamente proporzionali alla frequenza di lavoro, e gli elementi utilizzati in alta frequenza (nell’ordine dei GHz) possono risultare molto piccoli. In progettazione, è sufficiente eccedere tolleranze di pochi decimi di millimetro per modificare totalmente il comportamento di una antenna.

La Figura 1 dimostra proprio tale comportamento. La simulazione riguarda una piccolissima antenna verticale di un quarto d’onda risonante alla frequenza di circa 5 Ghz. Tale antenna misura circa 14.2 mm ma è sufficiente allungarla di soli 3 decimi di millimetro per modificare completamente il suo comportamento. I seguenti risultati mostrano le diverse frequenze di risonanza alle varie misure:

  • antenna verticale (¼ lambda) di 14.2 mm, frequenza di risonanza: 5020 Mhz;
  • antenna verticale (¼ lambda) di 14.5 mm, frequenza di risonanza: 4920 Mhz.

Sono sufficienti tre decimi di millimetro di differenza per far “slittare” più in basso la frequenza di lavoro di ben 100 Mhz, banda non idonea al corretto funzionamento dell’antenna.

Figura 1: alle alte frequenze pochi decimi di millimetri di differenza risultano decisive ai fini della frequenza di risonanza

Uno dei parametri fondamentali di un’antenna, oltre a quello dell’impedenza e della frequenza di risonanza, è il rapporto F/B, ossia la capacità di direzionare le onde elettromagnetiche verso una direzione specifica (vedi diagramma di radiazione in Figura 2). Occorre, dunque, cercare nei datasheet dei dispositivi proprio tale elemento, in modo da potere valutare se l’antenna trasmette il proprio segnale in modo omnidirezionale oppure se esso è focalizzato principalmente verso una specifica direzione.

Figura 2: il diagramma di radiazione mostra il guadagno di una antenna alle varie direzioni

Stamped Metal Antennas

Si tratta di speciali antenne in lamiera stampata e a montaggio superficiale, disponibili su nastro e bobina (vedi alcuni esemplari in Figura 3). Esse supportano la tecnologia Planar Inverted F Antenna (PIFA) e la loro implementazione avviene in modo semplice e a basso costo. Questa tipologia di antenne SMD permette di instaurare connessioni sicure in qualsiasi applicazione wireless. Permettono di raggiungere i migliori risultati nella trasmissione e nella ricezione dei dati.

La loro particolare conformazione fisica consente di posizionare i componenti elettronici proprio sotto le antenne, se necessario, senza influire sulle prestazioni dei trasferimenti dati. Inoltre esse non occupano una grande area esclusiva sul PCB e possono essere usati nella trasmissione Bluetooth, WiFi, Cellular, 2G, 3G, 4G (LTE, NB-IoT) e GNSS.

Caratteristiche e Applicazioni

Le caratteristiche principali sono le seguenti:

  • un’elevata efficienza di radiazione;
  • una polarizzazione mista;
  • un diagramma di radiazione relativamente omnidirezionale.

Le antenne in oggetto permettono, dunque, la realizzazione di design ultracompatti con soluzioni a montaggio superficiale, per un funzionamento stabile nel tempo e a basse perdite, con temperature di esercizio molto estese.


Tra le applicazioni:

  • telemetria;
  • attrezzature industriali e commerciali;
  • applicazioni Wi-Fi/BT/BLE/ZigBee/ISM a 2.4/5 GHz;
  • telecomandi senza fili;
  • smart home;
  • dispositivi di rete;
  • IoT, M2M;
  • indossabili intelligenti;
  • monitoraggio dei prodotti;
  • monitoraggio remoto;
  • reti di area personale (PAN).
Figura 3: alcune OnBoard Stamped Metal Antennas

Il design dell’antenna è importante per ogni progetto e se essa non è sintonizzata sulla frequenza corretta si instaura una impedenza non corrispondente, con conseguenti onde stazionarie, perdite di potenza e interferenze varie. Ogni antenna ha la capacità di ricevere o trasmettere i segnali elettromagnetici, in base alla sua efficienza. Normalmente i sistemi di trasmissione e di ricezione lavorano con una impedenza prossima a 50 ohm, pertanto le antenne devono rispecchiare tali specifiche, al fine di far transitare la massima potenza e scongiurare riflessioni di segnali, per una efficienza del 100%.

I modelli attualmente disponibili

Abracon mette a disposizione alcuni modelli di antenna, in modo da ricoprire, praticamente, qualsiasi tipologia di esigenza del cliente. La diversificazione dei modelli comprende l’intervallo di frequenze di lavoro, il guadagno e le misure fisiche, secondo la seguente tabella.

Part NumberFrequency RangePeak Gain (dBi)Package Size (mm)Key Features
PRO-OB-5362.4+5 GHz2.714.2×6.6×2.5Compact, efficient (η>44%), extended operating temperature
PRO-OB-4402.44.913.75×5.23×3.5Compact, low loss material, highly efficient (η>65%)
PRO-OB-6072.4-0.69.9×4.3×2.0Ultra compact, low-profile of 2mm; linear polarization; double-shelf life of up to 10 years
PRO-OB-430GNSS0.712.50×12.43×3.33Supports upper GNSS Bands,GPS/GLONASS/BeiDou/Galileo; compact, low-profile of 3mm; Linear Polarization, Efficiency >55%; Durable-Shelf life of up to 10 years
PRO-OB-572791-960 1710-21702.250x25x10Support NB –IoT Bands: 791 ͂960 MHz +; Profile of 10 mm; Linear Polarization; Efficiency > 50%; Durable-Shelf life of upto 10 years
PRO-OB-471868/915 (+2400 MHz)2.434×11.5×4.9Supports 868 MHz or 915 MHz; Profile of 4.93 mm; Linear Polarization; Efficiency > 50%; Durable-Shelf life of up to 10 years

L’antenna PRO-OB-440

A titolo di esempio viene mostrata, di seguito, l’antenna PRO-OB-440, con caratteristiche elencate qui sotto:

  • frequenza operativa: 2400 – 2500 Mhz;
  • frequenza centrale: 2450 Mhz;
  • perdita di riflessione: ˂ -6.9 dB;
  • polarizzazione: lineare mista;
  • guadagno di picco: 5.2 dBi;
  • efficienza: > 65%;
  • impedenza: 50 Ohm;
  • temperatura operativa: da -40° C a +125° C, massima temperatura: 400° C.

Come si vede dalla Figura 4, si tratta di una antenna molto compatta e a basso costo, a montaggio superficiale. Alcune sue applicazioni riguardano il Wi-Fi, BT, BLE, ZigBee e ISM a 2.4 GHz, l’IoT industriale, di consumo e medico, le attrezzature industriali e commerciali, la telemetria e i telecomandi senza fili, l’M2M e il PAN. Le dimensioni di tale antenna sono di 13.75 mm x 5.23 mm x 3.53 mm, mentre quelle della scheda di valutazione sono di 100 mm x 50 mm. I diagrammi di radiazione mostrano i relativi guadagni fondamentali dell’antenna nel piano orizzontale (H) e nei due piani verticali (V0 e V90). Il grafico di colore blu si riferisce alla polarizzazione verticale, mentre quello di colore rosso si riferisce alla polarizzazione orizzontale.

Figura 4: l’antenna PRO-OB-440

La partnership Abracon – MOS

Le antenne di Abracon sono distribuite da MOS, che si avvale di partner di alto livello, capaci di fornire alti standard dei prodotti e di supporto tecnico per la gestione dell’intero ciclo di sviluppo della produzione. MOS offre una vasta gamma di componenti e di prodotti del mercato elettronico mondiale ed è distributore ufficiale di componenti elettronici passivi ed elettromeccanici. Ma il vero valore aggiunto di MOS è rappresentato dalla possibilità di:

  • offrire soluzioni personalizzate che rappresentino in toto tutte le esigenze dei clienti;
  • distribuire prodotti specializzati di diverse case produttrici per assicurare un approvvigionamento completo dei componenti;
  • disporre di un magazzino automatizzato per garantire l’immediata disponibilità dei componenti;
  • tracciare i prodotti per una loro perfetta identificazione;
  • offrire il servizio Kitting, con la quale mettere a disposizione dei clienti il kit completo di componenti necessari;
  • rispondere con estrema rapidità ai propri clienti.

Conclusioni

Le antenne possono essere posizionate in diversi modi, anche se per alcune posizioni i risultati sono più vantaggiosi. L’antenna, infatti, dovrebbe essere allineata con il bordo del PCB, se possibile, preferibilmente con i pin GND vicino a un angolo. E’possibile montare piccoli componenti elettronici all’interno del blocco di protezione dell’antenna, consentendo soluzioni efficienti in termini di spazio e influenze nulle sulle prestazioni finali. Se altri componenti elettronici vengono posizionati nell’area circostante l’antenna, potrebbero sorgere problemi di accordo e di operatività. Si consiglia di misurare tutti gli ostacoli nel dispositivo finale, al fine di poter stimare correttamente le risposte dell’antenna e dei suoi comportamenti in risonanza.

Giovanni Di Maria
Appassionato fin da piccolo di elettronica, matematica e fai da te, Giovanni è programmatore, insegnante di informatica e matematica. Ama i numeri ed è sempre alla ricerca di grandi numeri primi. Giovanni è autore di un libro sulla programmazione del microcontrollore PIC 16F84 con mikroBasic. Giovanni è il titolare dell’azienda di elettronica e informatica ElektroSoft, si occupa di formazione, insegnamento e redazione di articoli tecnici a tempo pieno.