Con il collegamento di un numero sempre maggiore di dispositivi a Internet in modalità wireless, gli ingegneri elettronici si trovano ad affrontare numerose sfide, come ad esempio come integrare i trasmettitori radio nello spazio disponibile delle apparecchiature esistenti e come progettare e produrre dispositivi di dimensioni sempre più ridotte. Inoltre, si impegnano a soddisfare le richieste dei clienti in merito a prodotti IoT (Internet of Things) compatibili con l’ergonomia, dotati di un’accessibilità adeguata e in armonia con l’ambiente.
Quando si prendono in considerazione i prodotti IoT, le aspettative in termini di dimensioni sono uno degli aspetti più importanti; oltre a questo, vengono comunemente presi in considerazione anche le proprietà radio e il prezzo. Idealmente, gli ingegneri preferiscono componenti IoT di piccole dimensioni, con eccellenti prestazioni RF (radiofrequenza) e prezzi contenuti. Tuttavia, i componenti IoT di solito non riescono a racchiudere tutti i vantaggi sopra menzionati, quindi i fornitori di soluzioni devono affrontare delle sfide.
Per fortuna, poiché l’industria dell’elettronica dipende costantemente da tecnologie di processo al silicio completamente nuove, negli ultimi anni si è assistito a una dimensione sempre più ridotta dei chip al silicio. Integrando l’MCU (microprogrammed control unit) e il front-end RF in una struttura SoC (system on chip), il problema di spazio è stato risolto con successo per l’implementazione dell’IoT. Tuttavia, la tendenza di sviluppo verso il SoC non ha risolto il problema relativo alla struttura fisica del trasmettitore RF, cioè l’antenna. Di solito lasciamo la progettazione dell’antenna ai clienti o consigliamo loro di scegliere un modulo antenna di facile utilizzo con antenna integrata. Lo spazio per l’antenna è un’altra sfida che dobbiamo affrontare quando progettiamo piccoli dispositivi IoT. La progettazione dello spazio richiede un’elevata efficienza e una capacità di connessione wireless affidabile.
Perché SoC?
Come 21stil secolo ha visto il fiorire iniziale dell’IoT, e il settore era considerato come M2M (machine to machine). I componenti che contribuiscono all’interconnessione IoT includono principalmente modem GPRS, cavo seriale Bluetooth o radio Sub-G. Tutti i progetti sfruttano due componenti principali per realizzare la connessione: MCU e modem wireless. Lo spazio minimo sufficiente per l’implementazione delle funzioni IoT fondamentali è di 50 mm in tutte le dimensioni, il che significa che le dimensioni di tutti i dispositivi sono pari a quelle di un telefono cellulare.
Poiché l’industria del silicio si muove costantemente verso tecnologie che integrano le funzioni MCU e RF nello spazio di un unico chip, gli sviluppatori iniziano a cogliere più opportunità. Ora possono realizzare tutte le funzioni dei dispositivi IoT all’interno dello stesso IC/SoC. Poiché i microcontrollori wireless presentano vantaggi evidenti, l’ecosistema dei componenti IoT sta iniziando a convergere verso gli MCU wireless. Di conseguenza, gli ingegneri sono in grado di progettare dispositivi IoT utilizzando un solo tipo di componente, risparmiando spazio. Inoltre, possono ridurre i costi grazie al basso costo dei componenti. Man mano che le architetture dei moderni dispositivi IoT sono pronte per essere adottate, i sistemi basati su SoC diventeranno più popolari grazie al vantaggio in termini di dimensioni.
Tuttavia, la tendenza di sviluppo verso i SoC non riesce a risolvere il problema della struttura fisica, cioè l’antenna.
Come disporre l’antenna e di quanto spazio c’è bisogno?
Va ammesso che l’antenna deve affrontare una complessità su più dimensioni, poiché sia le dimensioni sia l’efficienza devono essere considerate. Poiché il costo della BOM (bill of material) è relativamente basso, è comune che l’antenna venga progettata tramite tracciatura sul PCB per i progetti IoT. Tuttavia, l’antenna su PCB richiede dimensioni notevoli, di solito nell’ordine di 25 mm × 15 mm, il che porta a un volume elevato del prodotto IoT. Le antenne presentano anche un altro svantaggio quando vengono applicate nei moduli, ovvero sono molto sensibili al detuning a causa del materiale di schermatura e devono essere considerate in modo specifico nel processo di assemblaggio del prodotto finale per raggiungere lo stato di funzionamento ottimale. Nella progettazione SoC, come parte della progettazione ordinaria, la sintonia dell’antenna viene ottenuta facendo affidamento su alcune conoscenze specialistiche. Nei progetti non c’è alcuna differenza tra l’antenna su PCB e le altre antenne.
I produttori di antenne forniscono da tempo “antenne a chip” per semplificare il lavoro di progettazione. Inoltre, questo tipo di antenna presenta vantaggi in termini di dimensioni. Questa categoria di antenne è principalmente fornita attraverso i seguenti modi:
a. Antenna disaccoppiata con GNDQuesto tipo di antenna richiede un intervallo di spazio libero con dimensioni relativamente grandi. Esempi tipici di questo tipo di antenna includono l’antenna unipolare e l’antenna a F ribaltata.
b. Antenna accoppiata con GNDQuesto tipo di antenna deve solo fornire un intervallo di spazio libero relativamente ridotto oppure non richiede affatto un'antenna.
Entrambi i tipi di antenna presentano un’area di rispetto o piano di massa e requisiti di spazio in termini di dimensioni del PCB. Lo spazio richiesto dai componenti RF nella progettazione IoT deve includere anche la necessaria area di rispetto, poiché nessun componente o traccia deve essere collocato qui, il che significa che, quando i progettisti stimano le dimensioni dei dispositivi IoT, le dimensioni del PCB e l’area di rispetto devono essere considerate compatibili con l’antenna. Inoltre, deve essere mantenuto un certo spazio tra l’antenna e il bordo dello schermo.
Quando i dispositivi IoT sono progettati per avere le dimensioni di una batteria a bottone, l’efficienza dell’antenna viene inevitabilmente compromessa. Quando cerchiamo di ridurne ulteriormente le dimensioni, l’efficienza necessaria per ottenere le prestazioni RF diminuisce di conseguenza. Le prestazioni di un dispositivo con meno di 10 mm in tutte le dimensioni non possono essere raggiunte se non alla frequenza di 2,4 GHz. Ad esempio, una connessione Bluetooth superiore a 10 metri può essere fornita agli utenti di telefoni cellulari, ed è accettata dalla maggioranza.
Tuttavia, quando la dimensione in tutte le direzioni si avvicina a 20 mm, l’efficienza RF aumenterà in modo significativo. Quando si avvicina a 40 mm, l’elevata efficienza delle numerose antenne con accordo di messa a terra ottenuto raggiungerà il livello massimo.
Ciò significa che la distanza di comunicazione tra due dispositivi equivalenti dovrebbe essere compresa tra 60 mm e 400 mm in conformità al protocollo Bluetooth 4.2. Una volta applicato il protocollo 15.4 (ad esempio Zigbee), la distanza massima di comunicazione all’interno di un campo visivo può raggiungere i 500 metri o più. Pertanto, i progettisti devono bilanciare le dimensioni del PCB e le prestazioni e l’efficienza dell’antenna in base alle differenze di applicazioni e alle dimensioni previste, poiché la maggior parte delle antenne su chip considera il piano di massa del PCB come una sezione della configurazione dell’antenna. Inoltre, la posizione dell’antenna/modulo svolge anch’essa un ruolo fondamentale nella fase di progettazione, per cui i progettisti devono considerare l’area di rispetto per ottenere una messa a terra ottimale del modulo.
