Progettazione per l'Isolamento dell'Antenna nel Tuo Sistema Wireless

Chiunque abbia smontato un vecchio cellulare o progetti dispositivi IoT sa che in questi design sono presenti molteplici capacità di comunicazione, ognuna delle quali richiede antenne diverse. Il progettista RF dovrebbe già prendere precauzioni per l'isolamento degli interconnettori, ma l'isolamento delle antenne è altrettanto importante quando si modellano e si progettano sistemi wireless.

La tecnica di isolamento delle antenne più basilare richiede semplicemente di posizionare le antenne più lontano l'una dall'altra e di progettare la rete di adattamento per fornire un certo livello di filtrazione lontano dalle frequenze operative desiderate. Su un vero PCB per un dispositivo wireless con molteplici protocolli di comunicazione, la soluzione richiede di andare oltre e di considerare lo stackup, così come di ingegnerizzare alcune strutture a banda proibita elettromagnetica per sopprimere le interferenze.

Tipi di Isolamento delle Antenne

Le misure di isolamento delle antenne dovrebbero essere implementate quando sullo stesso circuito sono presenti più antenne. La forma più semplice di isolamento consiste nel separare le diverse antenne in diverse parti del circuito, poiché la radiazione emessa dalle antenne senza riflettore diminuirà naturalmente con la distanza. Questo è seguito dall'accordatura attenta della rete di adattamento dell'antenna per prevenire un guadagno eccessivo. L'isolamento è reciproco, ovvero è una funzione sia dei guadagni delle antenne sia della trasmissione tra i due elementi. Un basso valore di isolamento tra due antenne significa che le antenne captano la radiazione l'una dell'altra.

Quando parliamo di "tipi" di isolamento delle antenne, ci riferiamo realmente a come la radiazione elettromagnetica da un'antenna viene ricevuta da un'altra antenna. Quando una scheda reale viene inserita nel suo involucro, l'ambiente per la radiazione può diventare piuttosto complesso. L'isolamento deve essere progettato per sopprimere le seguenti fonti di interferenza:

• Radiazione diretta: Questo comporta semplicemente la riduzione della forza della radiazione inviata da un'antenna e ricevuta da un'altra antenna. Questo è una funzione della direzionalità, della sensibilità alla polarizzazione e di qualsiasi elemento di schermatura.
• Risonanze dell'involucro: La radiazione emessa può eccitare risonanze all'interno di un involucro, che poi causa interferenze tra diverse sezioni della scheda a causa di riflessioni e propagazione multipath. Le risonanze dell'involucro appaiono come picchi minori nel modello di radiazione.
• Eccitazione della modalità di guida d'onda: Le modalità di guida d'onda a piani paralleli propaganti possono essere eccitate quando un'antenna è eccitata e irradia a certe frequenze. Questo problema non è il risultato di un percorso di ritorno pianificato male; invece, questo è un effetto che si verifica a causa della radiazione da un'antenna. Allo stesso modo, le onde superficiali possono essere eccitate da un'antenna radiante, in particolare antenne planari, che possono poi essere guidate a una diversa sezione della scheda grazie al contrasto dell'indice di rifrazione tra l'indice di rifrazione del substrato e l'aria
• Accoppiamento di rumore: Il rumore da una sezione può propagarsi in un'altra sezione come EMI. Il problema dell'EMI tra antenne è parzialmente risolto con una pianificazione intelligente dello spazio.

L'isolamento delle antenne è una misura di quanto facilmente un'antenna raccoglierà radiazioni da un'altra antenna, che è quantificato in termini di S12 tra i due elementi dell'antenna. Gli obiettivi tipici di isolamento sono impostati ad almeno +20 dB, a seconda del prodotto, e l'isolamento può essere misurato con un analizzatore di rete vettoriale. Le antenne che condividono un piano di riferimento, come le antenne su uno smartphone, possono avere un basso isolamento a causa delle correnti eccitate nel piano di massa, che diminuirà l'efficienza di entrambe le antenne.

Isolamento Contro la Radiazione Diretta

Quando si ha a che fare con antenne altamente direzionali, come gli array in fase, c'è poco altro da fare se non posizionare attentamente le antenne in modo che i lobi principali e i lobi laterali non siano puntati direttamente l'uno verso l'altro. Allo stesso modo, quando si ha a che fare con due antenne polarizzate, le due antenne devono semplicemente essere orientate in modo tale che le antenne siano elettricamente ortogonali l'una all'altra. Tuttavia, questo non è praticabile in molti prodotti mobili/IoT avanzati.

Nel caso in cui la radiazione sia non polarizzata o debolmente polarizzata, e le antenne siano vicine tra loro, il guadagno delle due antenne e le reti di adattamento devono essere precisamente sintonizzati per fornire il giusto livello di isolamento. Le reti di adattamento LC con resistori in serie o shunt possono fornire un adattamento sufficiente a un microstrip di alimentazione alle frequenze dell'antenna rilevanti; l'isolamento fornito dalle reti di adattamento può essere sufficiente quando le frequenze delle due antenne sono piuttosto diverse. Tuttavia, con radiatori ad alta potenza e con antenne sufficientemente vicine tra loro, potrebbero essere necessarie misure aggiuntive per aumentare il livello di isolamento.

Strutture a Banda Proibita Elettromagnetica (EBG) per l'Isolamento

Anche se non hai mai sentito parlare di una struttura a banda proibita elettromagnetica (EBG), probabilmente hai sentito parlare di recinzioni di via. Una recinzione di via è probabilmente il tipo più semplice di struttura EBG che incontrerai nella maggior parte dei progetti RF, ma variazioni sulle strutture di recinzione di via possono essere progettate per fornire isolamento a banda larga tra gli array di antenne. Queste strutture possono essere utilizzate per affrontare due dei quattro punti di isolamento elencati sopra: soppressione delle onde superficiali e soppressione delle modalità di guida d'onda.

Concettualmente, queste strutture possono essere analizzate elettrostaticamente o utilizzando un modello di circuito; entrambi gli aspetti forniscono una comprensione di come queste strutture favoriscano l'isolamento. In termini di modello di circuito, queste strutture possono essere analizzate come filtri LC a banda eliminata, producendo un'impedenza elevata alla frequenza di risonanza per la struttura. Posizionare più strutture EBG in parallelo (cioè, in più strati) o in serie (cioè, una accanto all'altra sullo stesso strato), permette di sintonizzare con precisione la risonanza e la larghezza di banda sui valori desiderati. Inoltre, l'impilamento in parallelo forma effettivamente un filtro di ordine superiore e restringe la larghezza di banda della struttura.

Sebbene le strutture EBG occupino più spazio sul circuito stampato rispetto a una recinzione di via, possono essere progettate per fornire un'isolamento molto più elevato. Oltre a fornire isolamento delle antenne attraverso la soppressione delle onde superficiali e delle modalità di guida d'onda, le strutture EBG aiutano anche a sopprimere il rumore di commutazione simultanea (SSN) in un PDN. Questo le rende piuttosto utili per componenti analogici che operano a una singola frequenza o a un piccolo numero di frequenze, ma non sono così utili per i PDN digitali. Questo perché, come i segnali digitali, l'SSN in un PDN digitale si verifica su una larga banda. Dai un'occhiata a questo articolo IEEE per maggiori informazioni sulle strutture EBG.

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