La sfida di integrare un'antenna in piccoli dispositivi IoT

L’Internet delle cose (IoT) è una tendenza tecnologica che cambia paradigma in cui gli oggetti di uso quotidiano, dai frigoriferi agli orologi, vengono trasformati in dispositivi intelligenti con connettività Internet. Questi oggetti possono condividere dati tra loro, rendendo possibile automatizzare e migliorare molti aspetti della vita quotidiana.

Le antenne svolgono un ruolo fondamentale in questi dispositivi. Un'antenna è un dispositivo che converte la radiazione elettromagnetica in corrente elettrica o viceversa. Questa funzione è fondamentale per consentire ai dispositivi IoT di comunicare e scambiare dati tra loro in modalità wireless, facilitando così l’interconnessione che definisce l’Internet delle cose.

Considerati i numerosi vincoli e considerazioni in gioco, tuttavia, l’integrazione delle antenne in questi piccoli dispositivi IoT (Figura 1) rappresenta una sfida significativa.

Nel mondo dell’IoT, il piccolo è il nuovo grande: i consumatori desiderano dispositivi compatti e discreti e i produttori si sforzano di conformarsi. Queste restrizioni dimensionali rappresentano un ostacolo significativo per l’integrazione dell’antenna.

Le antenne funzionano in base alla risonanza a una frequenza specifica e la loro dimensione è generalmente proporzionale alla lunghezza d'onda della frequenza su cui sono progettate per funzionare. Ad esempio, un'antenna a dipolo che opera su una banda di frequenza di 2,4 GHz dovrebbe idealmente essere lunga circa 6,25 cm, una dimensione che spesso non è fattibile per i dispositivi IoT compatti.

Lo spazio all'interno di un piccolo dispositivo IoT è affollato, il che presenta un compito complesso per l'integrazione dell'antenna. L'antenna deve funzionare in prossimità di altri componenti come processori, batterie e sensori. Questi componenti possono interferire con il funzionamento dell'antenna, influenzandone le prestazioni e, in definitiva, la funzionalità del dispositivo.

Ad esempio, l'involucro metallico di una batteria, spesso il componente più grande all'interno di un dispositivo IoT compatto, può disturbare il funzionamento di un'antenna in due modi: può dissintonizzare l'antenna, modificandone la frequenza operativa, oppure, a causa delle sue dimensioni, può schermare l'antenna. antenna, riducendo il diagramma di radiazione effettivo e indebolendo la connettività del dispositivo.

Allo stesso modo, i processori, in particolare quelli che funzionano ad alte frequenze, generano un notevole rumore elettromagnetico. Quando un'antenna si trova nelle immediate vicinanze, può captare questo rumore, che interferisce con la ricezione e la trasmissione dei segnali.

La spinta verso dispositivi IoT più piccoli e compatti è ottima in termini di portabilità e stile, ma presenta degli svantaggi quando si tratta delle prestazioni delle antenne. Man mano che questi dispositivi diventano più piccoli, anche le antenne al loro interno devono ridursi. Questa riduzione delle dimensioni può avere un impatto negativo su molte caratteristiche importanti del funzionamento di un'antenna.

Alcuni degli effetti dannosi della miniaturizzazione sulle prestazioni dell'antenna includono:

Esistono diverse potenziali soluzioni a queste sfide:

I SoC integrano un'unità microcontrollore (MCU) e un front-end RF in un unico die di silicio. Unendo queste due funzioni, i SoC sfruttano in modo eccellente lo spazio limitato all'interno di un dispositivo IoT. Questo vantaggio in termini di efficienza spaziale è una delle ragioni principali per cui i dispositivi IoT sono sempre più progettati attorno a MCU wireless.

Nonostante questi vantaggi, i SoC non possono risolvere tutti i problemi: la dimensione fisica dell'antenna è ancora limitata dalla lunghezza d'onda della frequenza su cui opera, e la desintonizzazione, ovvero uno spostamento della frequenza operativa dell'antenna causato da componenti vicini, rimane un problema significativo. .

Un'altra potenziale soluzione è l'abbinamento dei SoC con antenne di traccia PCB o antenne su chip.

Un'antenna traccia PCB è un'antenna il cui conduttore è inciso sulla superficie del PCB (Figura 2). Sono convenienti ma occupano molto spazio e creano quindi dispositivi IoT ingombranti. D'altra parte, le antenne su chip sono componenti più piccoli, montati su superficie che possono risparmiare spazio. Tuttavia, a seconda che siano collegati o meno al piano terra, potrebbero richiedere una notevole quantità di spazio libero.

Quando si utilizzano questi tipi di antenne, i progettisti devono tenere conto di vari fattori per stimare le dimensioni del dispositivo IoT. Questi includono le dimensioni del PCB necessarie per l'antenna, le aree libere necessarie e la distanza tra l'antenna e il bordo dell'alloggiamento del dispositivo.