Le antenne ci circondano da tutte le parti. Sono così comuni che spesso non ci accorgiamo della loro presenza, e vale la pena sapere che è grazie a loro che possiamo comunicare tra di noi. Questi elementi poco appariscenti sono una delle parti più importanti dei moderni dispositivi FIBARO, automobili, telefoni, computer ed elettrodomestici intelligenti. Senza di loro, le nostre vite sarebbero paragonabili a quelle dell’inizio del XX secolo. Abbiamo esplorato l’argomento delle antenne in una conversazione con il nostro esperto – Robert Giżycki, Senior Hardware Engineer di FIBARO.

Przemysław Kaczorowski: Robert, cosa sono le antenne e che ruolo hanno nei dispositivi IoT, compresi i dispositivi FIBARO?

Robert GiżyckiLe antenne sono di solito realizzate in metallo, che ha una forma e dimensioni specifiche. Le caratteristiche fisiche della costruzione definiscono le sue proprietà e il suo funzionamento – compresa la gamma del sistema. Un’antenna è la parte finale di un sistema radio, che è progettata per convertire efficacemente l’energia elettrica fornita al suo ingresso in onde elettromagnetiche (EM), che si propagano liberamente nello spazio raggiungendo dispositivi lontani – trasportando informazioni. La natura delle antenne è tale che funzionano contemporaneamente in entrambe le direzioni, l’idea è che siano sia trasmettitore che ricevitore di un’onda EM. Una coppia di antenne distanti l’una dall’altra è come se fossero collegate da un “cavo invisibile” che collega i dispositivi tra loro, garantendo la comunicazione. La differenza principale è che un normale cavo di solito collega due dispositivi e le antenne si irradiano in tutte le direzioni per consentire il collegamento a più dispositivi in luoghi diversi allo stesso tempo. Naturalmente, ci sono antenne fortemente direzionali, ma nei dispositivi IoT, compresi i dispositivi Fibaro, ci preoccupiamo principalmente di ottenere una radiazione uniforme in tutte le direzioni. Il collegamento del cavo è stabile e ha un’attenuazione praticamente identica in funzione del tempo o del cambiamento della sua disposizione. Nel caso delle antenne, l’attenuazione tra due antenne non è costante. Dipende molto dalla posizione reciproca dei dispositivi in relazione tra loro, dal materiale su cui sono stati montati, dalla struttura dell’edificio e, cosa interessante, dalla posizione delle persone nell’edificio. Non privo di significato è il fenomeno della riflessione e della somma delle onde, che localmente può manifestarsi come un’elevata perdita di segnale. Le nostre ricerche condotte nel reparto R&D della FIBARO hanno dimostrato che le fluttuazioni di attenuazione tra le antenne possono essere anche di 20-30dB (differenze 100-1000 volte). In pratica, significa che tra gli stessi dispositivi in un edificio la portata può essere di 30 metri, mentre in un altro sarà di soli 15 metri, il tutto causato da vari fattori esterni.

PK: Cosa dobbiamo ricordare noi, in quanto utenti di casa intelligente di Fibaro, per fare in modo che i dispositivi non perdano il loro raggio d’azione per un po’ di tempo? Cosa deve ricordare l’installatore che effettua l’installazione?

RG: Noi di FIBARO cerchiamo di progettare i dispositivi in modo tale che l’utente non debba preoccuparsi di perdere la portata. Tuttavia, in alcuni casi è bene ricordare alcune regole. Ad esempio, gli apparecchi con antenna esterna funzionano molto bene se l’antenna è in posizione verticale e si distingue dall’apparecchio. Più sono arrotolati e nascosti in un boschetto di cavi, peggiore è la portata. È importante ricordare di non chiudere i dispositivi in scatole di metallo e di non montarli vicino a superfici metalliche, in quanto ciò riduce notevolmente l’efficienza dell’antenna.

PK: Qual è il processo di progettazione delle antenne in FIBARO e che tipo di antenne vengono utilizzate nei nostri dispositivi?

RG: In FIBARO, adottiamo un approccio globale alla progettazione della traccia radio. All’inizio cerchiamo di selezionare il posto giusto per l’antenna. Il punto è di garantire che l’antenna non sia oscurata da grandi elementi metallici che possono influenzare negativamente la forma delle caratteristiche della radiazione. Non dovrebbe essere troppo vicino all’involucro, perché è più suscettibile alla sintonizzazione derivante da un assemblaggio impreciso dell’involucro. Se abbiamo molto spazio nell’alloggiamento, usiamo antenne stampate su PCB – sono le più vantaggiose dal punto di vista economico e funzionale (un esempio qui è l’antenna a 433MHz in Home Center 3). Se lo spazio a disposizione è molto ridotto, scegliamo una soluzione basata su un’antenna a chip oppure si tratta di un’antenna esterna, come nel caso ad esempio di FIBARO The Heat Controller. Nel caso di antenne PCB, utilizziamo un simulatore elettromagnetico, nel quale modello e modifico l’antenna in modo da ottenere la risonanza dell’antenna alla frequenza operativa desiderata. Il resto dei parametri sono controllati su un prototipo già pronto nel reparto R&S della FIBARO. Poi cerchiamo di determinare l’efficienza dell’antenna, il suo massimo guadagno e progettiamo un circuito di corrispondenza, che di solito è composto da diversi induttori e condensatori. Se uno dei parametri è insoddisfacente, ne viene progettata un’altra versione migliorata. Durante l’intero processo non ci si dimentica dei regolatori di tensione ad impulsi, che sono la fonte delle interferenze che entrano nell’antenna (si tratta di alimentatori che trasformano una tensione più alta in una più bassa – sono gli elementi più diffusi in qualsiasi dispositivo elettronico). Tutto il team cerca di disporli in modo tale che i percorsi più rumorosi del circuito regolatore siano il più lontano possibile dal radiatore dell’antenna o dal bordo del PCB. Un’antenna di tipo monopolistico è il tipo più utilizzato nei nostri dispositivi.

PK: Per quanto riguarda la progettazione, mi dica in quali condizioni e quali test vengono eseguiti nei/sui dispositivi FIBARO?

RG: Ci assicuriamo che la banda operativa dell’antenna e la sua impedenza siano ottimali per le condizioni di funzionamento nominali. Misuriamo l’efficienza di ogni prodotto e controlliamo le caratteristiche di radiazione dell’antenna. Se i parametri ottenuti nel primo prototipo non sono per noi accettabili, ne progettiamo un altro. Il numero di iterazioni raggiunge a volte quattro o cinque, il tutto per dare all’utente il miglior prodotto possibile. Per misurare l’impedenza e la separazione tra le antenne si usa un analizzatore vettoriale di rete. Le caratteristiche di efficienza e di radiazione sono testate in una camera GTEM, utilizzando un manipolatore automatico. L’idea delle misurazioni nella camera GTEM è già stata sviluppata prima. Noi l’abbiamo testata e implementata nella pratica, costruendo un sistema di misurazione molto utile e “personalizzato” per gli apparecchi FIBARO.

PK: Quali sono i parametri più importanti per te e quali sono i problemi che incontri più spesso nel tuo lavoro quotidiano?

RG: La cosa più importante è che le caratteristiche delle radiazioni siano il più possibile omnidirezionali. Poi otteniamo una copertura uniforme. Al secondo posto c’è l’efficienza dell’antenna. Cerchiamo di farla superare il 50%, che nel caso di antenne che operano nelle bande a 2,4GHz e 5GHz è il più reale possibile. Per piccoli apparecchi che funzionano a 433MHz o 868MHz (p.e. FIBARO Keyfob per 868MHz) la saldatura non è più così semplice, perché le dimensioni dell’apparecchio determinano l’efficienza dell’antenna – quindi si accettano valori inferiori. E’ auspicabile che l’antenna abbia una banda operativa ampia e non particolarmente suscettibile alla sintonizzazione. La polarizzazione dell’antenna non è più così importante, perché in un sistema reale i dispositivi sono montati in modo diverso e la trasmissione all’interno dell’edificio provoca ulteriori cambiamenti in questo campo. Pertanto, è molto difficile definire i requisiti in questo settore. L’antenna in sé non è tutto, anche l’ambiente circostante è importante. Essendo un sensibile ricevitore di campi elettromagnetici, i dispositivi Fibaro registrano tutto ciò che accade intorno a loro. Spesso accade nello spettro del segnale di uscita dell’antenna: colline di rumore generate dai convertitori e se i segnali discreti sono armoniche dei segnali digitali. I problemi si verificano anche quando l’emissione elettromagnetica dell’apparecchio è bassa e soddisfa tutti gli standard richiesti. Il punto è che la sensibilità degli attuali sistemi radio utilizzati è molto alta e se c’è un disturbo nell’antenna, nella banda operativa del ricevitore, di una potenza paragonabile alla sensibilità del ricevitore, si perde la capacità di ricevere i segnali più bassi. Poi inizia la parte più interessante del lavoro dell’ingegnere, e ogni decibel di sensibilità recuperato dà una grande soddisfazione dagli effetti del lavoro – allora l’utente del sistema può vedere che la capacità dei dispositivi è alta.

PK: Come siete riusciti a nascondere l’antenna nell’Home Center 3 – per quanto tempo ci avete lavorato? Cosa ha attirato FIBARO verso tale design e funzionalità?

RG: In Home Center 3 non è una sola antenna. Inizialmente, si supponeva che ci fossero sette antenne perché stavamo pensando di usare l’interfaccia LTE. Alla fine sono rimaste sei antenne che supportano le interfacce Z-WAVE, ZigBee, WiFi 802.11abgn, BLE e Nice. Abbiamo abbandonato l’interfaccia LTE e abbiamo aggiunto un’antenna che supporta la banda 433MHz, che è charatteristica per i prodotti del gruppo Nice. L’integrazione di così tante antenne è un processo piuttosto complicato. Insieme all’ottimizzazione ci sono voluti circa due mesi. All’inizio abbiamo definito le dimensioni del dispositivo, che saranno accettabili in termini di design e di prezzo. Il dipartimento di ingegneria ha voluto mantenere le grandi dimensioni del dispositivo per ottenere una maggiore efficienza delle antenne nelle frequenze più basse (433-870MHz). Le grandi dimensioni della scheda ci hanno dato una certa flessibilità quando si tratta di ottimizzare la separazione tra le antenne, che è importante quando si tratta di sviluppare prodotti per l’intermodulazione. Poi ci siamo concentrati sulla misurazione delle caratteristiche della radiazione e sull’ottimizzazione dell’impedenza dell’antenna. L’alta efficienza e le caratteristiche di radiazione relativamente uniformi erano per noi una priorità.

PK: Ricordate la custodia dell’iPhone 4 nel 2010, quando i telefoni stavano perdendo la portata? Questi problemi non si verificheranno oggi?

RG:RG:Ho presente l’argomento. È un problema con il quale molti ingegneri hanno difficoltà. Devono definire cosa significa un uso tipico e fanno ricerca in questa configurazione. Può accadere che qualcuno non catturi una certa proprietà dell’antenna e di conseguenza l’utente avrà un problema con la portata. Nel caso dei telefoni, la questione è particolarmente difficile perché la posizione del telefono rispetto alla testa e alla mano può essere arbitraria. Non è possibile esaminare tutte le configurazioni, soprattutto se il tempo di prova è molto limitato, e al giorno d’oggi i consumatori si aspettano anteprime spettacolari quasi ogni 6 mesi. L’esperienza del designer e del tester in questo caso è inestimabile. Se riescono a individuare il caso peggiore, la squadra sarà in grado di percepire il problema. In caso contrario, probabilmente sarà riconosciuto solo dall’utente. Naturalmente, tali problemi possono ancora verificarsi. Se qualcuno decide di posizionare la parte attiva dell’antenna all’esterno dell’involucro, deve fare i conti con il fatto che la sua impedenza può assumere valori estremi, e di conseguenza l’efficienza della soluzione può variare.

PK: Gli apparecchi Fibaro funzionano nella cosiddetta rete mesh, può spiegarci di cosa si tratta? Come funziona e quali sono i suoi vantaggi?

RG: Il punto è che i dispositivi che non sono in contatto diretto con il pannello di controllo (ad es. Home Center Lite, Home Center 2 o Home Center 3) entrano in contatto con esso utilizzando i dispositivi che operano nella stessa rete. Grazie a questo meccanismo, la copertura delle reti Z-WAVE in appartamenti o case potrebbe essere molto maggiore. Va ricordato che le informazioni ritrasmesse bloccano il canale radio un po’ più a lungo in caso di comunicazione diretta, per cui l’aumento della portata si ottiene a scapito della necessità di ritrasmissione e della riduzione del throughput del canale radio.

PK:Se ho un appartamento di circa 40m2, mi basta comprare un Home Center Lite? Riuscirà a far fronte alla portata? Come valuterebbe la domanda di una particolare centrale Fibaro a seconda della zona?

RG: Allora, tranquillamente Home Center Lite riuscirà a gestire un appartamento di 40m2. Tuttavia, è bene ricordare che ogni caso è diverso, come ho detto prima. Per quanto riguarda la copertura, Home Center 2 e Home Center Lite offrono una copertura simile, ma Home Center 2 ha maggiori possibilità di configurazione del sistema. Un grande passo avanti in questo senso è l’Home Center 3, dove abbiamo utilizzato un amplificatore di potenza aggiuntivo e un modulo LNA. Penso che non sarebbe un’esagerazione dire che offre una copertura doppia rispetto alle versioni precedentii.

Non c’è dubbio che lo sviluppo tecnologico e le richieste in costante crescita da parte degli utenti costringono a soluzioni più nuove e più avanzate. Per poter godere appieno delle possibilità offerte dalla casa intelligente FIBARO, è necessario osservare alcune importanti questioni e affidare l’installazione ad un installatore professionista. Questa combinazione garantisce affidabilità e, in caso di dubbi, un’assistenza quasi immediata.