Zaradi nenehnega širjenja interneta stvari (IoT) na industrijske, potrošniške in medicinske naprave, kot tudi na nastajajoča pametna mesta in zgradbe, uporaba brezžičnih omrežij z nizko porabo in velikim dosegom (LPWA) hitro narašča.
To še posebej velja za radiofrekvenčne (RF) pasove 915 MHz v ZDA, 868 in 169 MHz v Evropi in 433 MHz v Aziji, namenjene industrijski, znanstveni in medicinski uporabi (ISM), ki podpirajo brezžične protokole, kot so LoRa, Neul, SigFox, Zigbee in Z-Wave.
Naprave z LPWA tehnologijo so vse manjše in potrebujejo cenovno ugodne ter kompaktne antene z vrhunsko zmogljivostjo. Težave, povezane z ozemljitveno ploskvijo anten, so še posebej pereče v frekvenčnih pasovih 868 in 915 MHz za ISM. Odpraviti jih je mogoče z uporabo dodatnih vezij, integracijo več naprav in natančnejšim uravnavanjem frekvence, kar pa lahko podaljša čas in stroške razvoja. Načrtovalci potrebujejo antene, ki zmanjšajo tegobe v zvezi z ozemljitveno ploskvijo. Naprave LPWA poleg tega pogosto delujejo na baterijsko napajanje in zahtevajo maksimalno energijsko učinkovitost. Izbira in integracija antene sta ključna vidika učinkovite zasnove. Antena, ki ni optimalna, lahko skrajša življenjsko dobo baterij in tako povzroči slabše delovanje sistema na splošno.
Eden od ključnih dejavnikov za zanesljiv in učinkovit vmesnik za brezžično komunikacijo je optimizirana bilanca povezave. Na bilanco povezave pa pomembno vplivata izbira in integracija antene. Toda načrtovanje oziroma izbiranje učinkovite in visokozmogljive antene, ki bo obenem odpravila pomisleke glede bilance povezave in glede ozemljitvene plošče, je zapleten postopek. Specifikacije antene, ki vplivajo na bilanco povezave, med drugim vključujejo impedanco, povratno izgubo, napetostno razmerje stojnega vala, dobitek in sevalni vzorec. S prepoznavanjem anten, ki jih je mogoče enostavno integrirati in so hkrati kompaktne, visokozmogljive ter zmanjšujejo težave z ozemljitveno ploskvijo, je mogoče občutno skrajšati čas izdelave ter izboljšati splošno delovanje sistema.
Ta članek opisuje osnovni model bilance povezave, obravnava ključne specifikacije anten, ki vplivajo na bilanco povezave ter predstavlja primere anten družbe Molex, ki lahko premagajo težave, povezane z ozemljitveno ploskvijo, ter pomagajo optimizirati bilance povezav pri napravah s tehnologijo LPWA.
Osnovna bilanca povezave
Z bilanco povezave se pri brezžičnem sistemu meri efektivno radiofrekvenčno energijo, ki jo prejme sprejemnik. Enačba se začne z oddajno močjo v decibelih (dBm), kateri se prištejejo morebitni dobitki v decibelih (dB) in odštejejo izgube (prav tako v dB), rezultat pa je sprejmna moč v dBm. V praksi so pri načrtovanju prisotni številni dejavniki, ki prispevajo k dobitkom in izgubam.
Poglobljen vpogled v bilance povezav
Zmogljivost antene je edini dejavnik, ki v bilanci povezave vpliva na dobitke in izgube. Trije pomembni vidiki zmogljivosti antene so njena učinkovitost, dobitek in sevalni vzorec, ki se pogosto merijo v komori za testiranje preko zraka (OTA) (Slika 1). Med drugimi dejavniki, ki lahko vplivajo na bilanco povezave, sta tudi povratna izguba (parameter S11) in napetostno razmerje stojnega vala (VSWR).
Oddajnost antene je odvisna od njene učinkovitosti. Pogosto se uporablja povprečna učinkovitost, vendar pa pri učinkovitost ne gre zgolj za eno številsko vrednost. Gre namreč za krivuljo, ki je bolj ali manj položna, kar je odvisno od vrste obravnavane antene (Slika 2). Antene z bolj položno krivuljo učinkovitosti večinoma dosegajo nižjo največjo učinkovitost kot antene z bolj koničasto krivuljo učinkovitosti.
Tako kot učinkovitost antene je mogoče tudi njen dobitek meriti kot povprečno ali vršnjo/največjo vrednost. Povprečni dobitek pri določeni frekvenci se meri pod vsemi koti v tridimenzionalnem prostoru, največji dobitek pa je ena sama obratovalna točka. Praviloma je bolje, da je povprečni dobitek čim višji.
Pomemben dejavnik pri določanju dobitka je sevalni vzorec antene. Teoretična antena, ki energijo seva enakomerno v vse smeri, se imenuje izotropni sevalnik, njen dobitek pa znaša 0 dB. Resnične antene, tudi antene s tako imenovano vsesmerno zasnovo, imajo neizotropne sevalne vzorce in so lahko bolj ali manj usmerjene, kar lahko izmerimo v 3D-ravninah (Slika 3). Antena z dobitkom 3 dB je v določeni smeri dvakrat učinkovitejša od izotropnega sevalnika. V dani smeri podvoji moč oddajnika oziroma občutljivost sprejemnika.
Na sevalni vzorec vplivata zasnova antene in njena okolica. Podatkovni listi običajno vsebujejo vrednosti meritev, opravljenih v praznem prostoru brez okoliških motenj. Pri dejanski uporabi pa se vršnji dobitek v primerjavi z izotropnim (dBi) zmanjša za 1 do 2 decibela, saj elementi v okolici spremenijo sevalni vzorec.
Povratna izguba (S11) in napetostno razmerje stojnega vala (VSWR) sta povezani meritvi za merjenje količine energije, ki jo antena odbija nazaj v radiofrekvenčni tokokrog, pri čemer so boljše nižje vrednosti (Slika 4). Vrednosti S11 ≤ –6 dB oziroma VSWR ≤ 3 pogosto veljata za najnižji sprejemljivi ravni zmogljivosti. Če je vrednost S11 = 0 dB, se vsa moč odbije in ni sevane moči. Če pa je vrednost S11 = –10 dB in se anteni dovaja moč 3 dB, bo odbita moč znašala –7 dB. Preostalo moč porabi antena.
VSWR je funkcija odbojnega koeficienta. Tako kot pri povratni izgubi, manjša vrednost VSWR pomeni boljšo anteno. Najmanjša vrednost VSWR je 1,0, pri kateri se moč ne odbija od antene. S11 in VSWR je mogoče zmanjšati z usklajevanjem impedance. Pri usklajevanju impedance se prilagodi prenosni vod med anteno in RF-tokokrogom, s čimer se izboljša maksimalni prenos energije. Pri impedančni neusklajenosti antena ne sprejme dela RF-moči. Če se impedanci prenosnega voda in antene natančno ujemata, antena sprejme vso RF-moč.
Nekatere antene imajo impedanco 50 Ω in ne potrebujejo prilagoditvenega vezja. Večina anten pa zahteva vezje za prilagoditev impedance prenosnega voda, ki omogoča optimizacijo zmogljivosti antene. Prilagoditvena vezja so običajno potrebna pri antenah, ki podpirajo več frekvenčnih pasov.Prilagoditveno vezje je lahko po potrebi sestavljeno iz različnih kombinacij kondenzatorjev, tuljav ali uporov.
Izboljšanje zmogljivosti antene
Osnovna antena je sestavljena iz prevodnika določene dolžine, vendar je mogoče anteni dodati več elementov in tako izboljšati njeno zmogljivost. Takšen primer je denimo antenska tehnologija MobliquA™ družbe Molex, ki vključuje tehnologije za povečanje pasovne širine (Slika 5). Tehnologija MobliquA je zasnovana za povečanje razpona frekvenc, v katerih je povratna izguba sprejemljiva, in ki se pogosto imenujejo »impedančna pasovna širina«. S to tehnologijo je mogoče brez zmanjšanja sevalne učinkovitosti ali povečanja antene impedančno pasovno širino izboljšati za 60 do 70 odstotkov. Antena ISM, ki je zasnovana za frekvenci 868 MHz in 915 MHz ter uporablja tehnologijo MobliquA, je lahko do 75 % manjša od konvencionalno oblikovanih anten, hkrati pa odpravlja potrebo po dragih tokokrogih in uravnavanju frekvenc, ki sta potrebna za odpravljanje težav zaradi odvisnosti od ozemljitvene ploskve.
Integracija antene
Zgoraj opisane električne specifikacije predstavljajo pomembne vidike, ki jih je treba upoštevati pri integraciji antene. Po drugi strani pa je treba pri tem nasloviti tudi vprašanje mehanske povezave in integracije antene v sistem. Na voljo je več možnosti. Nekatere antene so zasnovane tako, da se v sistem privarijo, druge pa so opremljene s koaksialnim kablom in priključkom, ki se priključita v sistem. V naslednjih dveh razdelkih so navedene nekatere specifikacije za vsako vsesmerno anteno.
Prilagodljiva antena ISM s koaksialnim kablom in priključkom
Za aplikacije, ki zahtevajo dvopasovno anteno ISM 868/915 MHz, lahko načrtovalci izberejo model 2111400100[1] družbe Molex (Slika 6). Ta monopolna antena meri 38 x 10 x 0,1 mm, izdelana je iz prožnega polimernega materiala in je opremljena z mikro koaksialnim kablom dolžine 100 mm in zunanjega premera 1,13 mm ter s priključkom U.FL, ki je združljiv s priključki MHF. Antena je »samolepilna« in jo je mogoče pritrditi na kakršno koli nekovinsko površino. Prenese 2 W RF moči in je namenjena uporabi v območju delovne temperature od –40do +85 °C. Za druge antene v tej seriji so na voljo dolžine kablov 50, 150, 200, 250 in 300 mm, možno pa je naročiti tudi dolžino po meri.
Keramična antena ISM z visokim izkoristkom za spajkanje na tiskano vezje
Načrtovalci, ki potrebujejo anteno z visokim izkoristkom, lahko izberejo keramično anteno 2081420001[2], ki je posebej zasnovana za ISM aplikacije (Slika 7). Uporabiti je mogoče različna prilagoditvena vezja v dveh različnih frekvenčnih pasovih: 868–870 MHz in 902–928 MHz. Zasnovana je za obratovanje pri temperaturi od –40do +125 °C in meri 9 x 3 x 0,63 mm.
Povzetek
Optimizacija in integracija anten v aplikacije LPWA za pasove ISM, vključno s protokoli interneta stvari LoRa, Neul, SigFox, Zigbee in Z-Wave, je pomembna in zapletena naloga. Za zagotovitev dobrega brezžičnega delovanja in dolge življenjske dobe baterije je treba optimizirati bilanco povezave. To vključuje tudi številne kompromise pri delovnih električnih specifikacijah ter razvoj učinkovitega vezja za prilagoditev impedance. V postopku izbiranja antene je treba upoštevati tudi delovno okolje ter mehanske in povezovalne zahteve naprave.
Viri:
https://www.digikey.si/en/products/detail/molex/2111400100/9953925
https://www.digikey.si/en/products/detail/molex/2081420001/9953926
Digi-Key Electronics
Avtor: Rolf Horn
