DigiKey
Avtor: Rolf Horn
Širjenje naprav interneta stvari (IoT) še naprej pospešuje in navdihuje razvoj inovativnih končnih izdelkov.
Vendar pa se morajo razvijalci zavedati, da ne glede na to, koliko ustvarjalnosti in truda je vloženega v strojno in programsko opremo, ima antena ključno vlogo. Če antena ne deluje pravilno, je delovanje izdelka resno ogroženo.
Kot vmesnik med napravo in brezžičnim omrežjem je antena ključni del procesa načrtovanja IoT naprav. Antena pretvori električno energijo v elektromagnetno radiofrekvenčno (RF) valovanje iz oddajnika in pretvori dohodni RF signal v električne signale v sprejemniku. Razvijalci lahko optimizirajo delovanje aplikacije tako, da izberejo anteno, ki ustreza ključnim inženirskim parametrom. Vendar pa lahko številne razpoložljive možnosti in premisleki vodijo do zapoznelih in dragih ciklov načrtovanja.
Ta članek povzema vlogo antene v brezžični IoT napravi in na kratko opisuje pomembne kriterije načrtovanja, ki vplivajo na njeno izbiro. Članek nato uporablja primere anten podjetja Amphenol za ponazoritev ustreznih izbir za BluetoothLowEnergy (LE) senzor ali Wi-Fi, sledilnik IoT sredstev z zmožnostjo določanja položaja z GNSS satelitom, Wi-Fi (AP) dostopno točko in LoRaIoT napravo.
Razlaga podatkovnega lista
Končna zmogljivost antene je odvisna od inženirskih odločitev, kot sta položaj namestitve in zasnova omrežij za prilagajanje impedance. Dobra izvedba zahteva skrben pregled podatkovnega lista antene. Ključni parametri vključujejo:
Vzorec sevanja: Ta grafično definira, kako antena seva (ali sprejema) radijske signale v 3D prostoru (Slika 1).
Največji prenos moči: Dober prenos moči med anteno in sprejemnikom se pojavi, ko je impedanca prenosnega voda (Z0) usklajena z impedanco antene (Za). Slabo ujemanje impedance poveča povratno izgubo (RL). Razmerje napetostnega stojnega vala (VSWR) označuje ujemanje impedance med prenosnim vodom in anteno (Tabela 1). Visoke vrednosti VSWR povzročajo velike izgube moči. VSWR z vrednostjo pod 2 je na splošno sprejemljivo za IoT izdelek.
Frekvenčni odziv: Povratna izguba (RL) je odvisna od radijske frekvence. Načrtovalci bi morali preveriti podatkovni list za frekvenčni odziv antene, da bi zagotovili, da je RL minimaliziran pri predvideni delovni frekvenci (Slika 2).
Usmerjenost: Meri usmerjenost sevanja antene. Največja usmerjenost je definirana kot Dmax.
Učinkovitost (η): Razmerje med skupno sevano močjo (TRP ali Prad) in vhodno močjo (Pin) se izračuna po formuli η = (Prad/Pin) * 100 %.
Dobitek: Opisuje, koliko moči se prenese v smeri največjega sevanja. Običajno se nanaša na izotropno anteno z oznako dBi. Izračuna se iz formule Gainmax = η * Dmax.
Povečanje zmogljivosti
Antena s slabo zmogljivostjo omejuje, koliko električne energije se pretvori v sevano energijo na oddajniku in koliko energije se sprejme iz dohodnih RF signalov na sprejemniku. Slaba zmogljivost na obeh koncih zmanjša doseg brezžične povezave.
Glavni dejavnik, ki vpliva na zmogljivost antene, je impedanca. Znatno neskladje med impedanco antene (ki je povezana z napetostjo in tokom na njenem vhodu) in impedanco vira napetosti, ki napaja anteno, povzroči slab prenos energije.
Dobro zasnovano vezje za usklajevanje impedance zmanjša VSWR in posledične izgube moči s prilagoditvijo impedance virov energije oddajnika z impedanco antene. Impedanca je običajno 50 Ohmov (Ω) za IoT izdelek z nizko porabo energije.
Položaj antene močno vpliva tudi na oddajno moč in občutljivost sprejemnika končnega izdelka. Za notranjo anteno smernice za načrtovanje priporočajo namestitev na vrhu IoT naprave na robu plošče s tiskanim vezjem (PCB) in čim dlje od drugih komponent, ki bi lahko med delovanjem povzročale elektromagnetne motnje (EMI). Komponente za prilagoditev impedance so izjema, saj morajo biti blizu antene. Spajkalni otočki in sledi na plošči s tiskanim vezjem, ki povezujejo anteno s preostalim vezjem, bi morali biti edini bakreni vodniki v določenem varnem območju (Slika 3).
(Za več podrobnosti o smernicah za načrtovanje anten glejte »Kako uporabljati večpasovne vgrajene antene za prihranek prostora, zapletenosti in stroškov v IoTnačrtih.«)
Vrste anten
Določanje antene je kritičen del procesa načrtovanja IoT naprave. Antena mora biti prilagojena za RF-pas ciljnega brezžičnega vmesnika, na primer NB-IoT za več pasov med 450 megaherci (MHz) in 2200 MHz, LoRa za 902 do 928 MHz v Severni Ameriki, Wi-Fi za 2,4 gigaherca (GHz) in 5 GHz ter Bluetooth LE za 2,4 GHz.
Antene uporabljajo različne električne koncepte. Primeri so monopolna, dipolna, zankasta, obrnjena F-antena (IFA) in planarna obrnjena F-antena (PIFA). Vsak koncept ustreza določeni uporabi.
Obstajajo tudi enostranske in diferencialne antene. Enostranski tip je nesimetričen, medtem ko so diferencialne antene simetrične. Nesimetrične antene sprejemajo ali oddajajo signal glede na ozemljitev, značilna vhodna impedanca pa je običajno 50 Ω. Ker pa ima veliko RF IC-jev diferencialna RF vrata, je pogosto potrebno transformatorsko vezje, če se uporablja nesimetrična antena. To balunsko vezje pretvori signal iz simetričnega v nesimetričnega.
Simetrična antena oddaja z uporabo dveh komplementarnih signalov, vsak je v svojem vodniku. Ker je antena simetrična, balun ni potreben, če se antena uporablja z RF IC z diferencialnimi RF-vrati.
Nazadnje, antene so na voljo v različnih oblikah, kot so plošča s tiskanim vezjem, čip ali ploska oblika, zunanji bič in žica. Slika 4 prikazuje nekaj vzorčnih aplikacij.
Prilagoditev antene z uporabo
Uporaba in oblika izdelka določata končno izbiro antene. Na primer, če je IoT izdelek prostorsko omejen, se lahko antena za ploščo s tiskanim vezjem vgradi neposredno na ploščo s tiskanim vezjem. Te antene so odlična izbira za aplikacije 2,4 GHz, kot so Bluetooth LE ali Wi-Fi senzorji v napravah pametnega doma, vključno z razsvetljavo, termostati in varnostnimi sistemi. Ponujajo zanesljivo RF zmogljivost v nizkoprofilni arhitekturi. Vendar je antene na plošči s tiskanim vezjem težko oblikovati. Druga možnost je, da anteno za ploščo s tiskanim vezjem nabavite pri komercialnem prodajalcu. Nato jo lahko pritrdite na ploščo z lepilno podlago.
Primer antene izvedene z linijo na plošči s tiskanim vezjem je RF antena AmphenolST0224-10-401-AWi-Fi. Antena ponuja vsesmerni vzorec sevanja v pasovih od 2,4 do 2,5 GHz in od 5,15 do 5,85 GHz. Antena meri 30 x 10 x 0,2 milimetra (mm) in ima impedanco 50 Ω. Njen RL je manjši od –10 decibelov (dB) za obe frekvenčni območji, njen največji dobitek pa je 2,1 dB glede na izotropnost (dBi) v pasu 2,4 GHz in 3,1 dBi v pasu 5 GHz. Njena učinkovitost je 77 oziroma 71 % (Slika 5).
Druga možnost za prostorsko omejene IoT izdelke je antena na čipu. Avtomatizirana oprema lahko to kompaktno komponento neposredno namesti na ploščo s tiskanim vezjem. Antena ustreza brezžičnim IoT aplikacijam, ki temeljijo na Bluetooth LE ali Wi-Fi. Ključne prednosti antene na čipu so prihranek prostora, nižji proizvodni stroški in poenostavljen proces načrtovanja.
Kot je opisano zgoraj, na delovanje antene na čipu vplivajo dejavniki, kot so postavitev plošče s tiskanim vezjem in okoliške komponente, vendar je napredek v tehnologiji anten privedel do zelo učinkovitih naprav. Antene na čipu ustrezajo različnim aplikacijam, od pametnih telefonov in tablic do sistemov pametnega doma in industrijskih senzorjev.
Primer je ST0147-00-011-A podjetja Amphenol, 2,4-GHz antena na čipu za površinsko montažo na ploščo s tiskanim vezjem. Antena nudi vsesmerni vzorec sevanja v frekvenčnem pasu od 2,4 do 2,5 GHz (Slika 6). Antena meri 3,05 x 1,6 x 0,55 mm in ima impedanco 50 Ω. Njen RL je manjši od –7 dB, njen največji dobitek je 3,7 dBi, njena povprečna učinkovitost pa 80 %.
Tako kot antene izvedene z linijo na plošči s tiskanim vezjem so tudi ploske antene kompaktne in jih je mogoče neposredno pritrditi na tiskano vezje. Tipična uporaba je antena za sledilnik sredstev ali druge naprave z zmogljivostjo globalnega satelitskega navigacijskega sistema (GNSS). Ploske GNSS antene sestavljajo ploski element na dielektričnem substratu. Visoka učinkovitost zagotavlja, da antena zajame šibke GNSS signale iz večjega števila satelitov.
Primer je pasivna ploska antena GNSS ST0543-00-N04-U podjetja Amphenol za delovanje v frekvenčnih pasovih 1,575 in 1,602 GHz. Antena meri 18 x 18 x 4 mm in ima impedanco 50 Ω. Njen RL je manjši od –10 dB za obe frekvenčni območji, njen največji dobitek pa je –0,5 dBi v pasu 1,575 GHz in 1,0 dBi v pasu 1,602 GHz. Njena učinkovitost je 80 oziroma 82 %.
Zunanje antene v obliki biča, kot je antena na dostopni Wi-Fi točki, so nameščene zunaj IoT naprav za optimizacijo radijskega delovanja. Zunanja antena v obliki biča razširi domet signala, izboljša kakovost signala in premaga ovire ali motnje. Uporabne so v okoljih s šibkimi ali oviranimi signali, kot so tisti, ki jih oslabijo stene, stropi in pohištvo v domu. Na voljo so ravne in vrtljive zasnove, vsaka s standardnimi priključki za RF-vmesnika, kot so tip SMA, RP-SMA in N.
Primer je paličasta antena SMA RF ST0226-30-002-A podjetja Amphenol za 2,4 in 5 GHz. Antena je dobra rešitev za Wi-Fi dostopne točke in sprejemnike (STB). Ponuja vsesmerni vzorec sevanja v frekvenčnih pasovih od 2,4 do 2,5 GHz in od 5,15 do 5,85 GHz. Antena meri v premeru 88 x 7,9 mm in ima impedanco 50 Ω. Njen RL je manjši od –10 dB za obe frekvenčni območji, njen najvišji dobitek pa je 3,0 dBi v pasu 2,4 GHz in 3,4 dBi v pasu 5 GHz. Njena učinkovitost je 86 oziroma 75 %. Antena je na voljo s SMA ali RP-SMA konektorjem (Slika 7).
Vijačne žične antene so poceni in preprosta možnost za aplikacije pod GHz, kot so LoRaIoT naprave, ki delujejo v frekvenčnem pasu 868 MHz. Antene so običajno spajkane neposredno na ploščo s tiskanim vezjem in nudijo dobro delovanje. Nekatere slabosti so velikost, zlasti pri delovanju pri nizkih frekvencah, in relativno nizka učinkovitost v primerjavi z nekaterimi alternativnimi antenami.
Primer je antena 862 MHz RF ST0686-10-N01-U podjetja Amphenol (Slika 8). Ta vijačna žična antena deluje v frekvenčnem pasu od 862 do 874 MHz in ima impedanco 50 Ω. Antena je v THT verziji z največjo višino 38,8 mm. Ima RL manj kot –9,5 dB, največji dobitek 2,5 dBi in povprečno učinkovitost 58 %.
Zaključek
Radijska zmogljivost brezžične IoT naprave je odvisna od izbire antene, zato morajo razvijalci skrbno izbirati med široko paleto modelov anten dobaviteljev, kot je Amphenol, da se najbolje ujemajo z aplikacijo. Podatkovni listi so ključni pri izbiri, vendar upoštevanje uveljavljenih smernic za načrtovanje zagotavlja najboljšo brezžično zmogljivost.
