Recentemente abbiamo trattato la progettazione ad alta frequenza nell'ambito della nostra rubrica denominata PCB ART 2. Abbiamo accennato, anche se molto brevemente, ad un tema che nella progettazione ritorna cioè quello dell'accoppiamento tra antenne. Abbiamo già trattato l'accoppiamento analizzando come può avvenire. Ma la richiesta di un nostro utente ci è preziosa per approfondire meglio il tutto. Quello che faremo oggi sarà esplorare ulteriormente questo argomento per verificare tutti i casi possibili in funzione delle geometrie d'antenna, analizzandoli nel particolare, per capire quando si tratti di un fenomeno non desiderato oppure dannoso e quando invece questo possa essere utilizzato.
Quando nello stesso "ambiente" ci sono più antenne, è probabile che queste inizino ad interferire l'una con l'altra.
Il funzionamento di ciascuna di esse può risultare anomalo e per questo motivo si cerca di risolvere i problemi dell'accoppiamento isolandole tra loro oppure cercando altre strade. Ma per poter applicare qualunque tipo di soluzione è necessario conoscere i tipi di accoppiamenti e la relativa fenomenologia.
Con riferimento alla richiesta, quindi, uno dei fenomeni possibili è l'annullamento della sorgente. Le antenne adiacenti, oppure singoli lettori, possono operare alla massima efficienza ma l'interazione tra antenne vicine deve essere la più piccola possibile, e l'accoppiamento si può qualificare in "gradi" e dipende dalla distanza e dall'inclinazione tra le due sorgenti.
Un'antenna che si trovi inclinata esattamente a 90° rispetto ad un'altra si troverà accoppiata con un valore minimo. La nullità del valore di accoppiamento può essere verificata tramite la stimolazione di una delle due con un segnale e monitorando la tensione indotta nella seconda. Per la prima va utilizzato un analizzatore mentre nella seconda una sonda. Il movimento reciproco tra le antenne è una delle variabili che permette di studiare questo fenomeno. In questo caso, il punto di minima sovrapposizione potrebbe non essere quello che ci si aspetta dal momento che il campo magnetico dell'antenna non è uniforme ma si distribuisce secondo le linee di forza che ben conosciamo.
Un'altra situazione tipica è quella in cui noi abbiamo un'antenna matched ma non connessa posizionata, rispetto alla driver, all'opposto. In questo caso la prima può fungere da boost per la seconda. Questa viene, talvolta, denominata reflective antenna il che suggerisce chiaramente che è come se si migliorasse il guadagno della driver. Questo tipo di accoppiamento può essere frontale oppure avvenire tramite i lobi laterali.
L'accoppiamento in fase è un'altra delle possibilità
Anche se qui si introducono delle perdite, la distanza di lettura delle due driver può essere più grande del doppio della singola antenna ed è un metodo particolarmente efficace in talune situazioni. Con una singola antenna la forza del campo, e quindi i lobi descritti dal diagramma polare, decade oltre una certa distanza ma quando c'è un accoppiamento come quello in figura si riesce ad ottenere una sorta di alimentazione da entrambi i lati il che permette una copertura maggiore.
Questa soluzione risulta particolarmente utile quando vogliamo rilevare oggetti in movimento, ed ecco che non tutti gli accoppiamenti sono necessariamente indesiderati dannosi. Con una configurazione di questo tipo, infatti, si può fare analisi di movimento ricavando alcune grandezze cinetiche di grande interesse.
Altra situazione è quella descritta dalla figura che segue
Qui sono rappresentate due antenne che si trovano una di fronte all'altra e che non sono in fase. Il campo magnetico cambia la sua distribuzione. A seconda di come si distribuisce l'oggetto all'interno esso può essere letto con più o meno facilità perché centralmente abbiamo una sorta di "buco" di rilevazione ma lateralmente questo non è affatto vero.
L'immagine appena mostrata rappresenta lo schema di antenne rotanti. Quando si utilizzano diversi alimentatori di diverse lunghezze, una coppia di antenne può essere impiegata per produrre campi rotanti. Nella figura viene rappresentato una geometria crossed che è semplicemente quella tipica ma non c'è una particolare ragione per preferire questa ad altre.
L'angolo formato tra le antenne dovrebbe essere pari a 90° ed uno dei due alimentatori dovrebbe essere più lungo rispetto all'altro di un quarto di lunghezza d'onda; questo restituirebbe uno sfasamento di un valore preciso e pari a 90°.
Dal momento che il segnale viaggia più lento attraverso il cavo coassiale rispetto a quanto non faccia in aria (il che è evidente visto il confinamento all'interno di una struttura dielettrica con indice di rifrazione maggiore), il cavo dovrebbe necessariamente essere più corto ancora una volta di un quarto di lunghezza d'onda.
Ed arriviamo alle "Complementary Antennas". Questo è un altro caso di accoppiamento che può essere utilizzato con diversi lettori.
La struttura base prevede la connessione tra trasmettitore ricevitore e l'antenna posizionata in maniera parallela a quella di base. Se l'antenna complementare era ruotata esattamente di 90° e non è in fase, il campo a radiofrequenza si alternerà tra la condizione di fase e la sua opposta ad una frequenza doppia rispetto a quella del trasmettitore il che vuol dire che verranno letti tutti gli oggetti che passeranno attraverso le due antenne in qualunque caso di orientazione verticale.
Inoltre potranno anche essere letti tutti gli oggetti che transiteranno con orientazione orizzontale sia nella parte superiore sia nella parte inferiore dell'inviluppo del campo.
Non in maniera dissimile la caso precedente, però, va segnalato che anche qui esiste un "buco" centrale.
Perché tutto funzioni correttamente è necessario un anello denominato "Pick-up".
Questi devono essere connessi a cavi coassiali che terminino con un connettore BNC, il che serve a potersi connettere all'oscilloscopio.
Le antenne dovranno sempre essere sintonizzate in coppia dal momento che il loro funzionamento prevede la mutua influenza. La distanza tra le antenne dipende dalla loro dimensione.
Come regola generale possiamo dire che la loro distanza non dovrà mai essere maggiore del doppio della più piccola delle dimensioni che hanno.
Una volta che le due antenne sono state sintonizzate, entrambi gli anelli pick-up dovranno essere posizionati al centro e i due canali dell'oscilloscopio dovranno visualizzare forme d'onda identiche cioè con la stessa fase e la stessa ampiezza.
L'accoppiamento può anche essere fatto da antenne omnidirezionali. Questo caso non prevede la necessità di utilizzare particolari accortezze sui lobi ma più antenne contemporaneamente, il che discende dalle considerazioni sulla geometria del campo magnetico che abbiamo già analizzato.
Esistono un certo numero di sistemi che possono rendere l'antenna sviluppata per leggere oggetti che passino con qualunque orientazione. Stante quello che abbiamo già detto, se vogliamo leggere oggetti orizzontali e possibile utilizzare due approcci abbastanza comuni dei quali il primo prevede la connessione di una seconda antenna (TX/RX) utilizzando uno splitter. Il secondo invece prevede la connessione di un set di antenne Basic e Complementary tramite due splitter con il secondo set a coprire proprio quel "buco" di cui parlavamo prima
Conclusioni
Questo articolo aveva lo scopo di dimostrare una breve panoramica di casi in cui l'accoppiamento non è da demonizzare. Può essere, infatti un utilissimo strumento di rilevazione che completa un'antenna tradizionale. Diverse sono le soluzioni e diverse sono anche le possibilità offerte. Fondamentale è, però, conoscere tutto di un'antenna: dalla geometria all'applicazione di riferimento, dai parametri all'alimentazione. E questo è ancora più vero a seconda che stiamo parlando di un'antenna GSM, Wi-Fi, Bluetooth, RFID e alta frequenza e così via dicendo.
Se posso fare una critica non capisco l’attinenza tra le antenne in figura e i circuiti integrati. Comunque l’ho trovato interessante e sicuramente lo sono anche gli articoli linkati.
Voleva essere qualcosa di un po’ più…ampio.
Le onde elettromagnetiche e la loro propagazione riguardano diversi campi della tecnica ed in particolare buona parte dei sistemi visti ha a che fare con le tlc..
Comunque hai ragione, forse abbiamo volato troppo alto 🙂
Mi sbaglio o questa è la base delle NFC?
In effetti non ti sbagli affatto. Il principio di funzionamento, l’induzione, la concatenazione dei campi è esattamente la base delle comunicazioni contactless.
Ottimo articolo, ma potevate approfondire di più la parte relativa ai disturbi. Ad esempio tutte le antenne su un traliccio, come quelle dell’immagine principale, che disturbo si creano tra loro?
bell’articolo forse un piccolo accenno alle cavità per far coesistere più antenne e tipologie di antenne su siti trafficati o per generare il disaccoppiamento necessario tra frequnza di ricezione e di trasmissione sullo stesso sistema antenna. Mi ricordo quando andavo sui tralicci a montare i ponti radio o di trasferimento packet su più livelli di frequenza…bei tempi
Mmm… Interessante… non ho mai studiato molto le antenne. Quindi con un paio di antenne accordate è possibile anche riconoscere degli oggetti che transitano nel mezzo. I semafori mi sembra funzionino in questa maniera. Sotto l’asfalto nelle strade meno trafficate ci dovrebbe essere una sorta di antenna/bobina che misura la variazione del flusso magnetico. Ha lo stesso principio?
Come detto da ammaliovito, anch’io ho immaginato subito all’accoppiamento per trasferire energia ai dispositivi senza contatto.