Dimensionamento efficiente di un sistema RF per l'Internet of Things

Con il termine Internet of Things (IoT) si indica tipicamente un insieme di dispositivi collegati in rete, che collaborano in un ambiente smart. Case, auto, fabbriche intelligenti rappresentano esempi attuali di quanto sia in crescita il numero questi dispositivi e le corrispondenti applicazioni, con l’obiettivo di migliorare comfort, efficienza energetica e sicurezza.

Il futuro di questi sistemi è in continua espansione, con previsioni di crescita estremamente solide. Gli strumenti di progettazione basati sulla simulazione sono essenziali per gli ingegneri per dimensionare un sistema dell'IoT affidabile, economico ed efficiente. In questo articolo è descritto come utilizzare la simulazione elettromagnetica per affrontare gli aspetti legati all’interferenza in un ambiente smart dotato di molti moderni dispositivi connessi, con particolare attenzione all’analisi delle prestazioni dei link radio in condizioni operative di co-siting RF.

La simulazione a supporto della progettazione di dispositivi connessi

Consideriamo per esempio un sistema smart in cui alcune apparecchiature elettroniche comunicano tra loro in modalità wireless. Le prestazioni di ciascuno di essi possono essere influenzate da vari aspetti, primi tra tutti una potenza del segnale insufficiente e/o interferenze radio. Entrambe questi aspetti sono determinati dal tipo di integrazione degli elementi RF, dal tipo di installazione nel dispositivo smart e rispetto all’infrastruttura e dal posizionamento reciproco. Questi tre fattori impattano dal punto di vista elettromagnetico su scale diverse che vanno dal singolo modulo fino allo scenario di radiopropagazione più ostile e richiedono una pianificazione accurata e attenta a non inficiare la singola prestazione ottimizzata dei diversi elementi.

Si immagini per esempio di dover affrontare una non conformità in termini prestazionali o normativi in una fase avanzata di installazione/costruzione in uno scenario di grandi dimensioni, in cui un ritardo o blocco delle operazioni potrebbe portare a costi non sostenibili. La simulazione svolta nelle fasi preliminari riduce la durata dei cicli di progettazione, di verifica e, di conseguenza abbatte i costi dovuti all’attività sperimentale di test. E consente agli ingegneri di eseguire efficientemente la pianificazione e di virtualizzare ipotetiche soluzioni progettuali per migliorare le prestazioni del sistema.

La piattaforma Ansys Electronics rappresenta uno strumento di simulazione adatto a questo scopo perché si compone di metodi avanzati per la simulazione numerica 3D, 2D, circuitale e di sistema integrati tra loro. Questi consentono al progettista specialistico di investigare nel dettaglio ogni aspetto del componente di interesse e ad integratori/sistemisti di ottimizzare e verificare la compatibilità elettromagnetica ad un livello più alto. Per esempio, a livello fisico, è possibile sintetizzare un design di antenna e progettare il front end RF, verificarne le prestazioni quando integrati su scheda PCB e installati nel dispositivo.

È possibile inoltre calcolare una matrice di parametri di scattering tra un numero arbitrario di elementi sullo stesso dispositivo e su dispositivi differenti. Ad un livello più alto di sistema è possibile infine valutare le interferenze RF che dipendono dalle quantità calcolate in precedenza sia in termini di modello in propagazione che di modello radio relativo ai protocolli del sistema di comunicazione utilizzato.

È buona norma utilizzare uno strumento di sintesi di un elemento radiante da integrare nel modulo RF, compatibile con il sistema e il dispositivo che lo deve contenere, che sia parametrico nelle proprietà geometriche, dei materiali e della circuiteria passiva della rete di adattamento. In questo modo è possibile esplorare automaticamente gli effetti delle variazioni delle quantità più rilevanti e ottimizzarne i valori sulla base dei vari obiettivi che devono essere raggiunti quali per esempio diagrammi di radiazione e guadagni adatti all’applicazione. Questa metodologia risulta ancora più efficace quando i moduli RF vengono integrati in un dispositivo o installati in specifiche posizioni nello scenario operativo dove possono risentire degli effetti di elementi esterni (pareti, macchinari, etc.) che ne degradano le prestazioni.

La Fig. 1 mostra un esempio di antenne dimensionate alle frequenze opportune ed operative nel contesto opportuno (Fig. 2), per esempio portate a mano da un operatore o installate in cabine insieme ad altri sistemi elettronici. Nelle figure sono mostrati anche gli andamenti dei diagrammi di irradiazione e dei campi elettromagnetici nelle regioni di interesse.

Fig. 1 Esempio di antenne dimensionate ed ottimizzate in ambiente Ansys Electronics Desktop

Fig. 2 Mappe dei campi elettromagnetici generati da un sistema di antenne installate all’interno di una cabina

Un passo successivo consiste nella modellazione geometrica dello scenario operativo vero e proprio, includendo tutti e solo gli elementi che impattano sulle prestazioni del sistema. Metodi numerici efficienti consentono di operare su modelli elettricamente grandi, da semplici scenari come un’abitazione fino a grandi impianti industriali e scenario urbani ed extraurbani. A questo punto possono essere calcolati gli effetti fisici del modello del canale in modo da considerarne l’effetto in un link budget del sistema complessivo. Questo è un esempio di scenario operativo di tipo industriale, con rappresentazione in sovrapposizione dei diagrammi di irradiazione delle antenne.

Fig. 3 Esempio di uno scenario industriale e diagrammi di irradiazione delle antenne utilizzate dai vari operatori

Qui possiamo vedere la mappa dei campi su uno specifico piano selezionato dall’utente, che è un’altra quantità di grande importanza per il dimensionamento del sistema e per la previsione di eventuali interferenze.

Fig. 4 Distribuzione del campo elettromagnetico su una regione di interesse nello scenario operativo.

Una valutazione rilevante per un sistema wireless è relativa al mantenimento del collegamento tra i vari dispositivi di una rete che deve essere garantito in tutte le modalità e condizioni operative. Il margine che si richiede ai sistemisti può essere rappresentato facilmente per ciascuno dei sistemi di comunicazione attivi.

È interessante infine valutare gli effetti dell’interoperabilità di sistemi differenti dell’eventuale interferenza RF che si può generare. Nella figura 5 sono mostrati, per gli scenari descritti in precedenza, alcuni risultati relativi all’interferenza RF. In alto a destra sono mostrati gli spettri del coupling tra le diverse antenne che costituiscono il sistema e che contribuiscono sia al calcolo del margine di collegamento che all’interferenza tra i vari sistemi. Nell’immagine in basso sono rappresentate le proprietà spettrali dei modelli radio di ciascun sistema di comunicazione, il margine di interferenza in funzione della frequenza e una indicazione della causa del suo superamento (interferenza co-canale, o da canale adiacente, per effetto di intermodulazioni etc.) e una matrice di interferenze che indica quali sistemi aggressori riducono oltre il consentito le prestazioni si sistemi vittime.

Fig. 5 Alcune caratteristiche di output per la valutazione dell’interferenza RF.

Una reportistica di questo tipo consente di individuare con facilità tutte le non conformità di un sistema RF e suggerisce dove intervenire e in che misura. Inoltre consente di applicare mitigazioni con elementi di filtraggio e valutare in breve tempo i loro effetti.

La contemporanea operatività di sistemi smart di tipo wireless in uno scenario elettromagnetico complesso senza degrado delle prestazioni può essere impegnativa da dimensionare. Strumenti di simulazione consentono di affrontare ogni aspetto e dettagli di tutti gli elementi che compongono il sistema, a partire dai singoli componenti fino a piattaforme e scenari elettricamente grandi. Questa visione di insieme consente una collaborazione efficiente tra progettisti hardware, sistemisti ed esperti di compatibilità elettromagnetica, il cui lavoro ottimizzato porta ad una riduzione di tempi e costi e ad un incremento di efficienza e prestazioni.

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