Considerazioni sul piano di massa per ottimizzare le prestazioni dell’antenna nei dispositivi IoT compatti

Nel mondo dei dispositivi IoT, dove i componenti diventano sempre più piccoli, le antenne cellulari sono componenti essenziali che facilitano la connettività e la comunicazione. Tuttavia, l’inserimento di un’antenna cellulare efficiente in un dispositivo di piccole dimensioni non è privo di sfide. Tra queste, il controllo del piano di massa, un componente cruciale per le prestazioni dell’antenna, richiede molta attenzione. Questo articolo si addentra nell’intricato e affascinante mondo delle antenne cellulari per dispositivi Internet of Things di piccole dimensioni, sottolineando l’importanza dei fattori del piano di massa.

L’importanza delle antenne cellulari nei dispositivi IoT

Le antenne cellulari consentono ai dispositivi IoT di trasmettere e ricevere segnali attraverso la rete cellulare, fornendo così un gateway per la comunicazione di dati su grandi distanze. Questa capacità è fondamentale per le applicazioni in cui la distribuzione di piccoli dispositivi con connettività affidabile è essenziale, come nelle infrastrutture delle città intelligenti, nel monitoraggio della salute e nel telerilevamento.

Cosa sono i piani di massa e perché sono importanti?

Il piano di massa è una superficie conduttiva che funge da strato riflettente per l’elemento radiante di un’antenna. Contribuisce a formare il percorso di ritorno della corrente dell’antenna, essenziale per la formazione di un modello di radiazione. Il piano di massa rappresenta, in sostanza, l'”altra metà” di un’antenna a dipolo ed è cruciale per il suo funzionamento equilibrato. In un sistema d’antenna, il piano di massa influisce sul diagramma di radiazione, sulla larghezza di banda, sull’impedenza e sull’efficienza complessiva del sistema, plasmando e guidando il segnale. Nel progettare dispositivi di dimensioni ridotte, questo componente del sistema d’antenna viene spesso trascurato, con conseguenti prestazioni scadenti e problemi di comunicazione. Un piano di massa progettato correttamente assicura che il sistema d’antenna sia risonante alle frequenze desiderate, consentendo una comunicazione efficiente.

Il ruolo dei piani di massa nelle antenne cellulari

Il piano di massa è fondamentale nel contesto delle antenne cellulari per due motivi principali:

Corrispondenza di impedenza: Per garantire un trasferimento ottimale di potenza, le antenne cellulari devono presentare un’impedenza in linea con quella della linea di trasmissione, di solito fissata a 50 ohm. Il progetto del piano di massa deve quindi considerare il suo potenziale impatto sull’impedenza dell’antenna per mantenere la corrispondenza.

Controllo del modello di radiazione: Un piano di massa ben progettato contribuisce a creare un modello di radiazione coerente e diretto. Questo è cruciale per le antenne cellulari, poiché devono mantenere una connessione stabile con una torre di rete, spesso situata a diversi chilometri di distanza.

Come ottimizzare il piano di massa nei dispositivi IoT compatti

I dispositivi IoT compatti presentano sfide di progettazione uniche, specialmente considerando lo spazio limitato disponibile per l’installazione delle antenne. I piani di massa, spesso un quarto della lunghezza d’onda del segnale alla frequenza operativa più bassa, risultano di solito eccessivamente grandi per essere integrati in questi dispositivi di dimensioni ridotte. Un compromesso nel piano di massa può generare diversi problemi, tra cui:

• Riduzione dell’efficienza e del guadagno dell’antenna.
• Disadattamento dell’impedenza.
• Un modello di radiazione distorto, causando una connettività inaffidabile.

La progettazione di antenne cellulari per dispositivi IoT compatti richiede approcci innovativi per superare le limitazioni legate ai piani di massa. Ecco alcune strategie per affrontare tali sfide: 

• L’utilizzo del PCB: Integrare il circuito stampato (PCB) come parte del piano di massa rappresenta una tecnica comune nei dispositivi compatti. Tuttavia, è essenziale prestare attenzione durante la progettazione del layout del PCB, garantendo uno spazio sufficiente per il piano di massa e considerando la posizione degli altri componenti.

• Design/Tipi di Antenne Innovativi: I dispositivi wireless di dimensioni ridotte spesso adottano antenne innovative come la Planar Inverted-F Antenna (PIFA) per il loro profilo basso e la capacità di operare con un piano di massa più piccolo. Questi tipi di antenne stanno diventando sempre più comuni nel mercato della telefonia mobile. 

• Materiali ad alto potere dielettrico: È possibile “restringere” la lunghezza d’onda del segnale nel mezzo utilizzando materiali con un’elevata costante dielettrica, consentendo l’uso di un piano di massa più piccolo senza compromettere le prestazioni.

• Utilizzo del telaio: Il telaio può agire come un utile piano di massa per i gadget con involucri o telai metallici. La tecnologia indossabile è un settore in cui questa tecnica può essere particolarmente utile, poiché il corpo metallico del gadget offre una superficie sufficiente. 

• Aggiunta di bobine di carico: L’antenna può essere resa elettricamente più lunga senza aumentare le dimensioni fisiche, incorporando una bobina di carico nel progetto. Ciò aumenta l’efficienza dell’antenna all’interno di un piano di massa più piccolo, consentendole di risuonare a frequenze più basse.

• Parassiti risonanti in campo vicino (NFRP): Con questo metodo, l’antenna è circondata da elementi parassiti che risuonano e aumentano efficacemente le dimensioni elettriche del piano di massa, senza che le dimensioni del dispositivo aumentino effettivamente.

• Componenti di sintonia attiva: I dispositivi di sintonizzazione attiva, come i varattori o gli interruttori MEMS, possono essere impiegati per regolare la frequenza di risonanza dell’antenna al fine di compensare le dimensioni più ridotte del piano di massa dell’antenna.

Considerazioni sulla scelta dell’antenna per un dispositivo IoT compatto

Quando si progetta o si seleziona un’antenna per un dispositivo IoT di dimensioni ridotte, è essenziale considerare i seguenti fattori relativi al design del piano di massa:

• Dimensioni e forma: Anche nei dispositivi di piccole dimensioni, il piano di massa dovrebbe essere il più esteso possibile, idealmente estendendosi in tutte le direzioni dal punto di alimentazione dell’antenna.

• Materiale: Per il piano di massa dell’antenna, è consigliabile utilizzare un eccellente conduttore elettrico, di solito il rame.

• Posizionamento: Al fine di evitare effetti di detuning causati dalla mano dell’utente o da oggetti circostanti, l’antenna deve essere posizionata con attenzione rispetto al piano di massa.

• Integrazione: Per minimizzare eventuali problemi legati alle prestazioni del piano di massa, le antenne devono essere integrate nel progetto durante una fase iniziale del processo di sviluppo.

Prodotti consigliati

Antenna cellulare PCS.55.A di Taoglas

L’antenna cellulare PCS.55.A di Taoglas è una soluzione compatta in attesa di brevetto, progettata appositamente per i dispositivi IoT con piani di massa di dimensioni ridotte. Integrando tecniche rivoluzionarie di progettazione delle antenne con l’ampia esperienza di Taoglas nell’integrazione di antenne, questa soluzione offre una copertura a banda larga per entrambe le bande 5G/4G LTE e GNSS, comprese le bande più impegnative da 600-700 MHz.

Con uno spessore di soli 1,6 mm e dimensioni di 27×10 mm, l’antenna PCS.55.A fornisce una soluzione semplice per applicazioni LTE, CAT-M, NB-IoT e GNSS. È l’antenna ideale per i piccoli dispositivi IoT, dove i progetti di PCB più compatti dipendono sempre più dalle dimensioni dell’antenna. L’antenna richiede un’area di mantenimento estremamente ridotta e necessita di un numero significativamente inferiore di componenti di accoppiamento rispetto alla maggior parte delle altre antenne cellulari compatte sul mercato. Questo si traduce in un progetto più piccolo e meno complesso, riducendo la distinta base del dispositivo e accelerando il time-to-market.

Funzioni

• Prodotto Globale – È possibile utilizzare tre differenti circuiti di adattamento per ottenere prestazioni ottimali in base alla geolocalizzazione del cliente. I componenti ottimizzati per il Nord America (NA), l’Unione Europea (UE) e il World Wide (WW) sono stati identificati per agevolare l’integrazione del PCS.55.A da parte dei progettisti, garantendo le migliori prestazioni in vari scenari di distribuzione. Il PCS.55.A è facilmente integrabile mediante l’uso di tecnologie SMD standard, e i circuiti di adattamento per ciascuna area geografica (NA, UE o WW) sono stati semplificati a una configurazione a 3 componenti, offrendo così maggiore flessibilità all’utente. 

• Pacchetto di integrazione semplificato: L’utilizzo di soli 3 componenti di adattamento per l’integrazione (rispetto ai 15 delle antenne analoghe) consente al cliente di utilizzare l’antenna con una base più compatta e con un minor numero di componenti di adattamento “con perdite”.

• Area di mantenimento ridotta: La dimensione estremamente compatta dell’area di mantenimento permette l’integrazione dell’antenna su circuiti stampati piccoli e stretti, ideali per spazi limitati.

Caratteristiche principali del prodotto: