L'Internet delle cose (IoT) ha influenzato la vita e il lavoro di quasi tutti negli ultimi tempi. Per alcuni, il loro coinvolgimento con l’IoT è semplice come utilizzare uno smartwatch per monitorare le proprie abitudini alimentari o di esercizio fisico. Possono anche sfruttare il contatore intelligente della società di servizi pubblici per risparmiare energia e tenere sotto controllo le bollette. Questi impegni sottolineano l’importanza della scelta del wireless e dell’antenna nelle applicazioni IoT.

All’estremo opposto, è diventato possibile connettere tutto, compresi elettrodomestici, illuminazione, riscaldamento, serrature e sicurezza, fino ai pannelli solari, controllati e gestiti tramite un assistente digitale domestico.

Al di fuori degli ambienti domestici, i casi d’uso industriali e aziendali sono in genere più diversificati. Questi mirano ad automatizzare i sistemi di costruzione per migliorare l’efficienza e ridurre l’impronta di carbonio. Implicano inoltre la raccolta di grandi quantità di dati per migliorare il controllo dei processi, la pianificazione aziendale, la gestione delle risorse, la manutenzione delle apparecchiature e altro ancora. Questi dati aiutano a migliorare la gestione dell’energia e dei rifiuti e persino la concettualizzazione e la progettazione di nuovi prodotti.

Ultimi protocolli wireless

Le tecnologie wireless offrono diversi punti di forza intrinseci per la connessione dei dispositivi IoT. La flessibilità costituisce un vantaggio chiave, poiché consente l'implementazione di dispositivi in ​​varie posizioni, senza vincoli di cablaggio fisico. L'installazione di nuovi cavi in ​​casa, in ufficio o in fabbrica può essere problematica. La scelta del wireless e dell'antenna è spesso conveniente, soprattutto per le implementazioni IoT su larga scala, e consente una scalabilità semplice ed economica.

La mobilità è un altro vantaggio, poiché offre un potente fattore abilitante in applicazioni come i dispositivi indossabili e il monitoraggio delle risorse. Inoltre, l’efficienza energetica delle tecnologie wireless può essere importante nei dispositivi IoT alimentati a batteria.

Selezioni senza fili

Le tecnologie wireless standardizzate comunemente utilizzate nelle applicazioni IoT includono NFC, che è ideale per scambi di dati di breve durata su distanze di un paio di centimetri. L'energia contenuta nel campo RF emesso da un dispositivo lettore NFC può essere sufficiente ad alimentare il circuito del ricevitore per recuperare e trasmettere i dati memorizzati come richiesto.

La connettività Bluetooth offre mobilità e consente la flessibilità di progettare velocità dati, portata e consumo energetico per soddisfare i requisiti di una determinata applicazione. Consente connessioni punto-punto e mesh e le versioni più recenti supportano anche la ricerca della direzione e il rilevamento della posizione. Concepito fin dall'inizio per le reti mesh, Zigbee ha caratteristiche simili.

Gli utenti potrebbero preferire il Wi-Fi nei casi in cui sono necessari un raggio d'azione più lungo, velocità dati più elevate o capacità di connessione maggiori. Rimangono in servizio diverse generazioni Wi-Fi, fino al Wi-Fi 6, che ha una velocità dati massima teorica di 9.6 Gbps. Wi-Fi 6 prevede inoltre un'allocazione flessibile dei canali e tecniche per ridurre le interferenze e i tempi di attesa per connettersi alla rete. Inoltre, la formazione del raggio può migliorare l'efficienza della trasmissione dei dati e migliorare la sicurezza WPA3.

In Applicazioni IoT che necessitano di un raggio d'azione più lungo e di una maggiore mobilità, le scelte includono cellulare e a basso consumo tecnologie di rete geografica (LPWAN) come LoRa e Sigfox. Con la disattivazione delle reti legacy, le vecchie connessioni dati 2.5G e 3G lasciano il posto a standard come LTE-M e NB-IoT che utilizzano le più recenti reti LTE e 5G. Questi sono ottimizzati per soddisfare le esigenze delle applicazioni IoT, che in genere richiedono scambi frequenti comprendenti piccole quantità di dati.

Dispositivi come i localizzatori di risorse possono fare affidamento su costellazioni di satelliti di navigazione (genericamente chiamati sistemi satellitari di navigazione globale o GNSS). Gli esempi includono GPS, Galileo, GLONASS e BeiDou. I ricevitori multicostellazione possono trarre vantaggio da una disponibilità più robusta e robusta dei dati sulla posizione.

Alcuni ricevitori possono offrire l'accesso a servizi speciali di alta precisione forniti dagli operatori satellitari. Un tracker può calcolare la posizione utilizzando il sottosistema GNSS incorporato e condividere queste informazioni con l'applicazione IoT host tramite una connessione wireless come LPWAN o cellulare.

Selezione wireless e antenna

Essenzialmente, un'antenna trasferisce i segnali tra i domini elettromagnetico ed elettrico, sfruttando la risonanza alla frequenza portante RF. Ciò richiede che la lunghezza effettiva dell'antenna sia una frazione specifica della lunghezza d'onda del segnale portante.

Pertanto, le dimensioni sono importanti quando si considera la scelta del wireless e dell'antenna. La dimensione è direttamente correlata alla banda di frequenza su cui opera l'antenna. Ciò dipende dalla tecnologia wireless scelta e dalla frequenza operativa associata.

Inoltre, l'imballaggio dell'antenna è un problema critico che influisce sulla selezione dei componenti. I dispositivi IoT possono essere soggetti a rigorosi limiti di dimensione. Ciò richiede che le antenne siano piccole pur offrendo prestazioni elevate. Spesso è necessaria la sigillatura, in particolare in articoli come sensori remoti e contatori intelligenti, che possono essere esposti a condizioni difficili e si prevede che rimangano in servizio per periodi prolungati.

Un portafoglio che offre una scelta di antenne con montaggio su PCB, montate internamente ed esterne, ottimizzate per bande di frequenza specifiche e tecnologie wireless spesso utilizzate nelle applicazioni IoT, può aiutare i progettisti a scegliere il tipo migliore per la loro applicazione. Tali portafogli offrono diversi tipi e dimensioni, scelte come connessioni saldate o coassiali e parti ottimizzate per tecnologie specifiche come antenne NFC e GNSS.

Antenne NFC

Diversi fattori influenzano la scelta del wireless e dell'antenna per le applicazioni NFC. NFC funziona a 13.56 MHz, quindi l'antenna deve essere progettata per risuonare a questa frequenza specifica per garantire una comunicazione ottimale. Le antenne a filo avvolto e le antenne a telaio sono comunemente disponibili come componenti standard.

Sebbene la lunghezza effettiva dell'antenna sia correlata alla frequenza operativa, le antenne NFC hanno anche un ruolo nel raccogliere energia dal campo RF emesso dai dispositivi di lettura per alimentare il microcontroller incorporato, la memoria e l'hardware aggiuntivo del dispositivo IoT che può includere un circuito integrato di sicurezza, raccogliere e trasmettere i dati richiesti dal lettore.

La selezione finale può dipendere da variabili come il fattore di forma del dispositivo e l'intervallo di lettura desiderato. In genere, le antenne più piccole sono compatte ma offrono portate di lettura più brevi, mentre le antenne più grandi forniscono portate di lettura più lunghe. Lo spazio disponibile all'interno del dispositivo o dell'applicazione determinerà la dimensione dell'antenna.

In generale, alcune antenne NFC possono essere più sensibili all'orientamento rispetto ad altre, il che può richiedere particolare attenzione nella scelta di un modello specifico e nella determinazione della sua posizione ottimale nel dispositivo. Può essere integrato nel circuito stampato o fissato alla custodia.

Oggetti metallici, interferenze elettriche e altri fattori ambientali possono influire sulle prestazioni dell'antenna. Potrebbe essere necessaria una schermatura o un posizionamento appropriato. La corretta corrispondenza dell'impedenza tra il chip/modulo NFC e l'antenna è essenziale per massimizzare il trasferimento di potenza e ridurre al minimo la perdita di segnale.

Antenne per tecnologie comunemente utilizzate

Per le tecnologie wireless come Bluetooth e Wi-Fi che operano a 2.4 GHz, nonché per le tecnologie cellulari e LPWAN, è disponibile un'ampia selezione di antenne con montaggio su PCB, interne ed esterne. La scelta dipende da fattori quali il fattore di forma del dispositivo, i limiti di dimensione e la portata di comunicazione desiderata.

Sono disponibili antenne chip-size per applicazioni Bluetooth e Wi-Fi 2/3/4 nelle bande di frequenza da 2.4 GHz per applicazioni industriali, scientifiche e mediche (note come bande ISM).

Le antenne esterne tendono ad essere di tipo monopolare o dipolare. Un tipo unipolare è costituito da un singolo filo che richiede un piano di massa per riflettere le onde radio e contribuire a modellare il diagramma di radiazione. Il modello è omnidirezionale.

Il tipo a dipolo ha due elementi conduttivi separati da uno spazio vuoto. Si tratta spesso di antenne a mezza lunghezza d'onda, solitamente più lunghe di un monopolo, sebbene il guadagno sia tipicamente maggiore e il diagramma di radiazione sia bidirezionale. Il guadagno dell'antenna influisce direttamente sulla portata e sulla copertura del dispositivo. Le antenne con guadagno più elevato possono fornire un raggio di comunicazione più lungo.

Molti optano per la connettività cellulare per piccoli dispositivi come i localizzatori montati su beni mobili come automobili, furgoni o veicoli da cantiere. In queste applicazioni, può essere opportuna un'antenna interna per consentire un'installazione meno invasiva o per mantenere le parti fragili lontane dai danni. D’altro canto, un’antenna esterna più grande può essere adatta a un dispositivo come un gateway progettato per indirizzare i dati da più endpoint IoT nel cloud tramite una connessione cellulare.

Antenne GNSS

Le antenne GNSS sono disponibili in vari stili, come le antenne patch in ceramica. Come tipologia, hanno una polarizzazione circolare che garantisce un'elevata sensibilità ai segnali satellitari. Quando si progettano apparecchiature come dispositivi di localizzazione delle risorse con posizioni satellitari, i progettisti devono garantire che l'antenna scelta supporti le costellazioni rilevanti.

Conclusione

Dimensioni e packaging sono aspetti critici da considerare quando si sceglie un'antenna per un'applicazione IoT. Le grandi antenne esterne tendono ad offrire le prestazioni RF più favorevoli. D'altro canto, il montaggio interno è spesso preferito per resistere alle sfide ambientali e consentire un utilizzo e una portabilità più semplici, mentre le antenne a montaggio superficiale possono offrire una soluzione quando i vincoli dimensionali sono estremi. La scelta è amica del progettista nella ricerca della migliore combinazione tra proprietà elettriche e fisiche.

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• Fonte: https://www.iotforall.com/antenna-design-priorities-in-iot-applications