I dispositivi compatti a bassa potenza sono sempre più diffusi, soprattutto nel settore automotive e in quello dei dispositivi indossabili, a causa della crescente domanda da parte dei consumatori di funzionalità avanzate integrate in un unico prodotto. Inoltre, la disponibilità di antenne PCB integrate affidabili e con elevate prestazioni, consente di aggiungere la connettività alla maggior parte dei dispositivi elettronici di consumo.
Le antenne PCB operanti a frequenze elevate consentono ai dispositivi di comunicare su lunghe distanze, trasducendo i segnali elettrici in onde elettromagnetiche. Il vantaggio principale delle antenne PCB è quello di ridurre sia le dimensioni, sia i costi di manutenzione del dispositivo. Le dimensioni delle antenne integrate dovrebbero essere ridotte al minimo e, per incrementare l'efficienza, più tratti di microstrip dovrebbero essere collegati tra loro per ottenere il guadagno desiderato. La dimensione di queste “patch” è strettamente legata alla lunghezza d'onda della frequenza operativa.
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Le antenne PCB sono oggi disponibili in varie forme e dimensioni e, dato l’elevato numero di applicazioni, la loro progettazione rappresenta un aspetto cruciale. Le tecniche utilizzate per progettare un'antenna PCB richiedono che siano presi in considerazione diversi parametri, che verranno analizzati di seguito.
Esistono diversi tipi di antenna PCB:
- Antenna loop
- Antenna microstrip
- Antenna a F invertita
La progettazione dell'antenna svolge un ruolo fondamentale per consentire la ricetrasmissione nei sistemi di bassa potenza che operano a corto raggio. In particolare, la lunghezza d'onda della frequenza operativa viene utilizzata per determinare la dimensione della patch durante il processo di progettazione.
Equazione 1: Calcolo di ampiezza e lunghezza
Nell'equazione precedente, W rappresenta l’ampiezza dell'antenna patch microstrip, L la lunghezza e ЄR la costante dielettrica. Una volta noti i valori della frequenza e della costante dielettrica del materiale utilizzato, le dimensioni di un'antenna patch microstrip possono essere calcolati utilizzando la formula precedente. Nel caso in cui la costante dielettrica del materiale non sia nota, il progettista può utilizzare al suo posto la velocità di propagazione del segnale.
Calcolo dei Parametri dell’Antenna
Figura 1- Dimensioni del substrato
Fonte Emtalk
Prima di calcolare i parametri caratteristici dell'antenna, occorre selezionare il materiale del substrato, la lunghezza e la larghezza del materiale richiesto, insieme alla frequenza operativa dell'antenna. Il PCB dovrebbe essere preferibilmente realizzato con materiale FR4, data la sua elevata rigidità dielettrica e permeabilità relativa pari a 4,4.
Equazione 2: Altezza del substrato
L'equazione di cui sopra viene utilizzata per determinare l'altezza del substrato, dove hs è l'altezza del substrato, f è la frequenza (GHz), c è la velocità della luce (m/s) e Єr è la costante dielettrica del substrato. L'altezza del substrato è uno degli aspetti cruciali quando si tratta di aumentare le dimensioni di un'antenna e deve essere mantenuta costante durante tutto il processo di progettazione. Utilizzando materiali come FR4, vetro epossidico, bachelite, o similari, l'altezza viene normalmente mantenuta a 1,5 mm.
Equazione 3: Ampiezza della traccia
L'equazione precedente viene utilizzata per determinare la larghezza della traccia, dove wt è la larghezza della traccia. Le tracce relative ai segnali, le tracce di alimentazione e le tracce di impedenza devono essere progettate e calcolate con particolare attenzione, in quanto una larghezza della traccia non corretta può aumentare i fenomeni di riflessione del segnale. La larghezza minima di ogni traccia dovrebbe essere pari a 6 mil (0,625 mm), mentre per tolleranze più elevate viene mantenuta nell’intervallo 10-12 mil (0,254-0,3 mm).
Equazione 4: Lunghezza della traccia
L'equazione di cui sopra viene utilizzata per determinare la lunghezza della traccia, dove Lt è la lunghezza della traccia, Σff è la permittività effettiva e ΔL è la lunghezza fisica. La resistenza della traccia aumenta man mano che la traccia si allunga o si restringe. Pertanto, le tracce che trasportano correnti più elevate devono essere mantenute il più corte possibile.
Equazione 5: Rapporto ampiezza/spessore
L'equazione di cui sopra viene utilizzata per determinare il rapporto tra la larghezza della microstriscia e il suo spessore, dove d è la larghezza della traccia, w è la larghezza del substrato e A è l'area effettiva. Il rapporto ideale tra larghezza e spessore di una traccia microstrip, nel caso di materiale FR4 con impedenza di 50 ohm, è pari a circa 2:1.
Progettazione dell’Antenna
Le antenne sono molto sensibili all'ambiente circostante e quindi, nel caso di antenne integrate nel PCB, la progettazione e il layout devono tenere conto dei requisiti dell’applicazione, in quanto ciò potrebbe avere un impatto considerevole sulle prestazioni del dispositivo wireless. Anche i più piccoli particolari, come tipo di materiale, numero di layer, spessore dello strato e altro ancora, possono avere un effetto sulle prestazioni dell'antenna.
Quando si tratta di progettare un'antenna PCB, occorre comprendere l’importanza di alcune fasi del processo di sviluppo. I principali step su cui si articola la progettazione sono i seguenti:
1. Posizionamento dell’antenna
Le antenne hanno diverse modalità di funzionamento e, a seconda del livello di radiazione, esistono determinate posizioni in cui l’antenna deve essere posizionata. Ad esempio, lungo il lato corto del PCB, sul lato lungo del PCB, oppure in un angolo del PCB. Idealmente, un angolo del PCB è uno dei posti ottimali in cui posizionare l'antenna. Il motivo è che la posizione d'angolo del PCB consente all'antenna di disporre di fino a cinque direzioni spaziali, mentre il segnale verso l'antenna si trova nella sesta direzione. Esistono vari modelli di antenna in grado di adattarsi alle diverse possibili posizioni occupate sul PCB. I progettisti di PCB possono quindi selezionare l'antenna in base alla loro specifica applicazione e al layout.
Figura 2 - Spaziatura omnidirezionale di un’antenna
Fonte Mwrf
2. Zona di esclusione
I progettisti devono assolutamente garantire che i singoli componenti non siano collocati nelle immediate vicinanze dell'antenna, in quanto ciò potrebbe causare interferenze di segnale che influiscono negativamente sulle prestazioni del circuito. Inoltre, è necessario accertarsi che l'area intorno all'antenna sia distanziata da oggetti metallici, comprese le viti utilizzate per il montaggio.
Figura 3: Zona di esclusione
Fonte: l’Autore
L'antenna irradia contro un piano di massa e il piano di massa è associato alla frequenza alla quale opera l'antenna. Pertanto, per il piano di massa dell'antenna, è necessario prevedere delle dimensioni e una spaziatura adeguati.
3. Piani di massa
In un PCB, la dimensione del piano di massa riveste un ruolo fondamentale e, pertanto, esso deve essere progettato opportunamente. I progettisti devono pertanto assicurarsi che i piani di massa siano dimensionati correttamente, in quanto essi consentono ai collegamenti elettrici e alle linee di alimentazione del dispositivo di avere un effetto trascurabile sull'antenna.
Figura 4: Piano di massa
Fonte Mwrf
Esistono alcuni tipi di antenne PCB che dipendono dal piano di massa. Ciò avviene quando il PCB stesso diventa la sezione di terra dell'antenna, bilanciando le correnti dell'antenna con i layer inferiori del PCB. In questi casi, i progettisti devono accertarsi che nessuna sorgente di alimentazione sia posizionata in prossimità dell'antenna.
4. Vicinanza ad altri componenti sul PCB
Durante la progettazione, è fondamentale mantenere l'antenna integrata sufficientemente distante da altri componenti del circuito che potrebbero interferire con la radiazione dell'antenna. La distanza tra antenna e componenti varia in base all'altezza e alla larghezza del componente. Componenti come batterie e LCD, connettori USB, HDMI, o cavi Ethernet, hanno velocità di commutazione elevate che aumentano le possibilità di interferenza del segnale durante il funzionamento del dispositivo.
Figura 5: Vicinanza ad altri componenti sul PCB
Fonte Mwrf
Ad esempio, se viene tracciata una linea con un angolo di otto gradi dalla base dell'antenna, il componente sarà idealmente a una distanza di sicurezza se posizionato al di sotto di questa linea, come visibile in Figura 4. Se nelle vicinanze vi fossero altre antenne operanti su bande di frequenze simili, potrebbero verificarsi dei fenomeni di de-sintonizzazione tra le antenne, le quali si influenzerebbero l’una con le altre. Per evitare ciò, le antenne devono essere isolate di almeno -10dB per frequenze di 1GHz e -20dB per frequenze di 20 GHz. Ciò può essere ottenuto aumentando la distanza tra le antenne, oppure ruotandole in modo che esse siano posizionate con un angolo di 90 gradi o 180 gradi l'una rispetto all'altra.
5. Progettazione della linea di trasmissione
Nelle antenne PCB, la traccia RF che trasporta l'energia a radiofrequenza viene detta linea di trasmissione. La linea di trasmissione deve essere progettata con impedenza di 50 Ω. In caso contrario, potrebbero verificarsi delle riflessioni del segnale in ricezione, causando un rapporto segnale-rumore (SNR) degradato che influisce negativamente sulla sensibilità del ricevitore radio.
Figura 6: Progettazione della linea di trasmissione
Fonte Mwrf
La progettazione della linea di trasmissione deve essere eseguita con la massima cura. In primo luogo, la linea di trasmissione deve essere rettilinea, in quanto la presenza di curve o angoli nella linea comporta una possibile perdita di segnale. Per ridurre al minimo il rumore e le perdite di segnale, massimizzando le prestazioni dell'antenna, occorre posizionare i via in modo uniforme lungo entrambi i lati della traccia. Essi, infatti, aiutano ad aumentare le prestazioni isolando il rumore che attraversa le tracce adiacenti, come visibile in Figura 6.
I componenti richiesti per l’adattamento RF e la larghezza delle linee di trasmissione devono essere opportunamente selezionati per consentire il funzionamento dell'antenna con un'impedenza caratteristica di 50 Ω. Le dimensioni della linea di trasmissione possono influenzare drasticamente le prestazioni del segnale, in quanto le linee di trasmissione più sottili sono maggiormente vulnerabili alle perdite. In ogni caso, le linee di trasmissione dovrebbero essere il più corte possibile per consentire all'antenna una migliore trasmissione del segnale a frequenze più elevate e per contenere al minimo le perdite.
Tecniche per migliorare le prestazioni
Figura 7: Miglioramento delle prestazioni
Fonte Istock photo
Oltre alla progettazione, esistono altri metodi in grado di migliorare l'efficienza e le prestazioni delle antenne PCB. Alcune di queste tecniche sono elencate di seguito:
- L'utilizzo di reti di matching per la sintonizzazione dell'antenna compensa i fattori che possono influire sulle sue prestazioni.
- Il piano di massa dovrebbe essere opportunamente selezionato. In caso contrario, potrebbero verificarsi diafonie tra i segnali. L'antenna dovrebbe inoltre essere collocata in una posizione ottimale, come nelle vicinanze dei bordi del PCB.
- I segnali dell'antenna non possono viaggiare attraverso il metallo, pertanto l'involucro esterno dell'antenna non dovrebbe essere realizzato con questo materiale, in quanto ciò potrebbe causare l'interruzione del segnale.
- Posizionare un'antenna vicino a superfici di plastica può alterarne le prestazioni. Solitamente, la plastica ha una costante dielettrica più alta dell'aria, influendo sui segnali trasmessi, attenuando il segnale RF e creando perdite. Ciò risulta in una costante dielettrica più elevata, in un incremento della lunghezza elettrica dell'antenna e in una riduzione della frequenza alla quale l'antenna irradia il segnale.
- Al fine di non compromettere le prestazioni RF, la raccomandazione è quella di utilizzare circuiti stampati FR4 di elevata qualità.
Conclusioni
Il progetto di un'antenna PCB è un processo complesso, in quanto esistono diversi fattori che possono influire sulle prestazioni dell’antenna stessa. Il primo passo della progettazione di un'antenna integrata è quello di selezionare un materiale (preferibilmente FR4) con caratteristiche e dimensioni precise. Anche le tracce del PCB svolgono un ruolo importante, poiché le linee di trasmissione trasportano i segnali RF utilizzando proprio queste tracce. La larghezza delle tracce deve essere progettata con particolare attenzione, in quanto una larghezza impropria potrebbe causare problemi di riflessione del segnale. Per quanto riguarda la lunghezza, la resistenza di una traccia cresce con l’aumentare della lunghezza. Pertanto, nel caso in cui una traccia debba trasportare correnti elevate, la sua lunghezza dovrebbe essere il più corta possibile.
Durante la fase di progettazione, il posizionamento dell’antenna sul PCB deve essere eseguito in modo tale che l'antenna disponga di spazio sufficiente per irradiare il segnale. I progettisti devono prestare particolare attenzione a non posizionare i componenti vicino all'area del campo dell'antenna, in quanto ciò aumenterebbe i fenomeni di interferenza del segnale.
Inoltre, componenti come LCD, cavi HDMI, cavi USB, ecc., devono essere posizionati a una distanza sufficiente dagli altri componenti del circuito, poiché hanno una velocità di commutazione più elevata che aumenta le possibilità di interferenza del segnale. I piani di massa devono essere dimensionati in modo appropriato, poiché il collegamento diretto con l’antenna di fili e batterie ha un effetto negativo sulla distribuzione delle correnti e sui layer inferiori del PCB. Le linee di trasmissione devono essere progettate con impedenza di 50 Ω per evitare il degrado del segnale; inoltre, esse dovrebbero essere rettilinee e prive di curve o angoli.
24.05.2022
