Perché la mia antenna sembra perdere prestazioni quando il sistema è chiuso all'interno di un involucro di plastica?

di Guillaume Crinon, Technical Marketing Manager EMEA, Avnet Silica

 

Prefazione

Non sono mai stato un esperto di antenne e non fingo di esserlo.
Spero che la lettura di questo articolo possa aiutarvi a capire come i layout d’antenna preconfigurati siano nella maggior parte dei casi scarsamente ottimizzati e quanto un vero e proprio esperto di antenne possa essere di grande utilità nella realizzazione del vostro progetto IoT.

Introduzione

Se state progettando un prodotto wireless, verrà il momento in cui dovrete prendere una decisione in merito all’antenna:

  • Potete permettervi un’antenna esterna che comprometta il look del vostro gateway?
  • Potete optare per un filo avvolto all’interno dell’involucro in plastica del sensore?
  • Potete considerare l’uso di un’antenna stampata su PCB?
  • Cosa sapete delle costose antenne su chip?

Le antenne non amano avere metallo attorno

Poiché sicuramente non siete nuovi al tema della radiofrequenza, già sapete che per avere una radiazione ottimale le antenne devono essere tenute lontane dal metallo.
Il metallo, inteso come  alloggiamenti, viti e bulloni, batterie, binari di alimentazione e cablaggi, “cattura” l’onda elettromagnetica come un ricevitore parassita e sottrae preziosi dB alla potenza trasmessa, convertendoli in una corrente indotta che riscalda leggermente il dispositivo.
Questo è ciò che si dovrebbe evitare. In effetti, per evitare tali perdite, è consigliabile tenere il metallo fuori dalla portata dello spazio Near-Field – NF, a una distanza minima di 1 lunghezza d’onda dall’antenna, operazione in molti casi assolutamente irrealistica:

  • A 868MHz-915MHz, 1 lunghezza d’onda in aria corrisponde a 34cm (13”)
  • A 2,45GHz, 1 lunghezza d’onda in aria corrisponde a 12cm (4,8”)

Questo è il motivo per cui le antenne sono sempre specificate sulla base di modelli di radiazione nello spazio libero e mai nell’ambiente reale, dove si è in balia dell’empirismo e dell’improvvisazione.
Quelli di voi abbastanza fortunati da avere accesso a un analizzatore di rete vettoriale, sanno che SE (E SOLO SE) l’ambiente metallico dell’antenna non cambia è possibile ripristinare l’impedenza e compensare una parte delle perdite.
Ricordo di averlo fatto quattro anni fa quando un cliente del settore industriale aveva a chiesto di integrare un tracker SIGFOX all’interno del piedino di un contenitore di acciaio.

 

In questo caso è stato necessario ripensare l’impedenza dell’antenna portandola da 50 Ohm fino a 5 Ohm a causa della presenza di metallo nell’area NF.
Lo si creda o no, il segnale è stato rilevato da 3 stazioni base distanti 12 km ciascuna: non male per un sistema da 14dBm che trasmetteva dall’interno di una barra d’acciaio spessa 8mm!
 

Le antenne non dovrebbero preoccuparsi della plastica

È vero: i materiali non conduttori non presentano gli stessi effetti del metallo quando utilizzati in prossimità delle antenne.
Tuttavia, molti materiali non metallici che utilizziamo per i rivestimenti, quali polimeri, vetro, gomme o legno, non sono completamente passivi quando interagiscono con le onde elettromagnetiche.
Infatti, questi materiali isolanti hanno la proprietà di opporsi a qualsiasi campo elettrico applicato.
Tale proprietà è utile quando si progetta un condensatore o un super-condensatore poiché consente di ottenere densità di carica più elevate, perciò condensatori più piccoli e più capaci.
La controindicazione è che le onde elettromagnetiche si propagano più lentamente rispetto a c, la velocità della luce all’interno di tali materiali.
Grazie a Maxwell, sappiamo che nel vuoto le onde elettromagnetiche si propagano a una velocità pari a:

All’interno di un materiale isolante, che presenta sempre una costante dielettrica e superiore al vuoto, le onde elettromagnetiche si propagano a velocità più bassa:

dove er  rappresenta la  costante dielettrica, o permittività relativa,  del materiale (a vuoto).
In pratica, con tali materiali, la lunghezza d’onda di un segnale elettromagnetico è ridotta di un fattore sqrt(er).
Questo è il modo in cui funzionano le piccole antenne integrate su chip: stampando il nucleo dell’antenna su una ceramica altamente dielettrica con er superiore a 100, la loro geometria può essere ridotta di un fattore anche superiore a 10 rispetto all’equivalente “nell’aria”.
La loro area NF ricade “per lo più” all’interno del contenitore, rendendole in teoria meno suscettibili a perdite e disadattamenti.
 

Il risultato

Ciò significa che un’antenna con un fattore di forma fisicamente progettato per funzionare nel vuoto (o nell’aria) subirà il detuning a una frequenza più bassa quando è racchiusa in un isolante dielettrico o è posta in prossimità di alcuni tessuti di provenienza umana (il noto effetto-mano).
Ad esempio, si ipotizzi di progettare un sensore LoRaWAN per la banda 868 MHz e di scegliere un’antenna in quarto d’onda sotto forma di conduttore perpendicolare al piano di massa.
La lunghezza calcolata del conduttore è pari a:

Con questo valore il prototipo funziona correttamente.
Si ipotizzi ora di inserire il prodotto con la sua antenna in un involucro in ABS; indovinate cosa succede? La portata della radio si degrada.
La ragione è semplice: la custodia in plastica ABS presenta un er pari a 3.
Se l’antenna è stata stampata all’interno di 30cm3 di ABS, affinché rimanga sintonizzata sulla frequenza di 868 MHz la sua geometria dovrebbe essere ridotta di un fattore pari a sqrt(3):

In altre parole, nell’ABS, un’antenna da un quarto di lunghezza d’onda da 8,6 cm risulterebbe sintonizzata su 868 MHz/sqrt (3) = 500 MHz!
Poiché PCB e antenna non sono stampati nell’ABS ma sono solo racchiusi in un involucro, è altamente probabile che l’antenna risulti sintonizzata su una frequenza in prossimità degli 800 MHz; il detuning comporterà perdite di pochi dB, pur sempre dannose per l’applicazione.
Ciò può essere evitato con un’accurata sintonizzazione dell’antenna dall’interno della custodia ricorrendo a un analizzatore vettoriale o più empiricamente scegliendo delle geometrie più corte che garantiscano un design più performante.
Il suggerimento, comunque, rimane lo stesso: ingaggiate sin dall’inizio un esperto di antenne che collabori con l’ingegnere meccanico ottimizzando sia l’involucro che le prestazioni dell’antenna.

LE NOSTRE PROVE

Nei nostri laboratori, grazie all’Ing. Fabio Gatti specialista IoT Assodel, abbiamo verificato quanto riportato sopra, controllando il parametro VSWR tramite analizzatore di spettro Agilent FieldFox di una antenna Wi-Fi accordato a 2 GHZ (rubber ducky, http://martybugs.net/wireless/rubberducky.cgi).

Rubber ducky antenna
Confronto VSWR

Il test è stato condotto misurando il parametro nelle due condizioni (temperatura e condizione di lab standard):
a. antenna nel vuoto (linea blu)
b. antenna avvolta da uno strato di 10 mm di neoprene ad alta densità con costante dielettrica 3.7@1MHz (linea gialla)
Si può osservare l’effetto descritto sopra, l’antenna risulta elettricamente più lunga richiedendo quindi un circuito di adattamento per una accordatura ottimale.

Redazione Fare Elettronica