Vylepšení aplikací IoT pomocí všestranných a kompaktních antén

Výběr správné antény může být klíčovým faktorem úspěchu bezdrátové aplikace Internetu věcí (IoT). Výběr antény, která poskytuje vysoký výkon a flexibilitu pro podporu různých sítí, může zvýšit atraktivitu elektronických aplikací v komerčním sektoru.

Pro konstruktéry produktů mohou být antény jen pasivními prvky, avšak vzhledem k tomu, že jsou vybaveny novými funkcemi pro využívání ekosystémů IoT, mají stále více rozhodující podíl na úspěšnosti elektronických aplikací. Zejména u aplikací průmyslového internetu věcí (IIoT) mohou antény podporující více bezdrátových sítí poskytovat kriticky důležitou redundanci, odolnost a optimalizaci pokrytí.

Kromě podpory Wi-Fi aplikací stále stoupá potřeba začlenit mobilní antény, které poskytují kriticky důležité funkce nezbytné k zajištění úspěšného provozu IoT. Pro potlačení rušení způsobeného nárůstem bezdrátového provozu je zásadní spektrální účinnost. Dalším klíčovým požadavkem je energetická účinnost prodlužující životnost baterie. Řada aplikací IoT musí pracovat v náročných prostředích, jako jsou venkovní nabíjecí stanice, kde jsou vyžadovány robustní antény schopné odolávat nepříznivým povětrnostním podmínkám a vandalismu.

Aby bylo zajištěno, že výkon signálu nebude narušován fyzickými konstrukčními materiály, jako jsou beton nebo kov, je nutné používat antény s vysokou účinností. Čistý přenos signálu bez rušení a šumu je stále důležitější, protože bezdrátové služby soupeří o přístup. Rostoucí poptávka po 5G průmyslových aplikacích bude konstruktéry podněcovat k začleňování malých buněk a mikrobuněk, díky kterým dokáže signál 5G překonávat i okna a stěny.

Různé sítě vynikají ve specifických oblastech, čímž konstruktéři produktů využívající účinnější antény mohou dosáhnout širšího pokrytí, ať již uvnitř nebo venku, aby vyhověli potřebám zákazníků. Stejně tak je důležitá skutečnost, že konstruktéři produktů mohou své aplikace připravit na budoucnost díky přizpůsobivosti, kterou nabízí podpora více sítí.

Díky podpoře více sítí mohou prodejci a zákazníci dosáhnou standardizace s jedním typem antény zajišťující připojení v různých prostředích, čímž odpadne složitá práce s mnoha různými anténami. Toto řešení také umožňuje kombinovat různé typy připojení s cílem vyvážení zatížení sítě a rozdělení datového provozu do více cest, aby se zabránilo přetížení a byl optimalizován výkon výběrem nejlepší možnosti sítě pro danou úlohu. Zákazníci se na základě datových požadavků mohou rozhodnout pro cenově nejefektivnější síť a vyhnout se mobilním datům, pokud je Wi-Fi připojení dostačující.

Vyhovění potřebám náročných prostředí

Bezdrátové připojení je často kriticky důležité v široké škále prostředí, která pro konstruktéry produktů představují řadu problémů.

Inteligentní továrny například vyžadují spolehlivou komunikaci mezi továrním zařízením, senzory a centrálními řídicími systémy, často v náročných průmyslových prostředích. Ve velkých skladech, kde vedle sebe existují sítě Wi-Fi a mobilní sítě, mohou antény pro více sítí zajistit bezproblémové připojení pro sledování zásob a řízení logistiky.

Vysoce výkonné antény umožňují rozmístit senzory na vzdálených místech a získávat data z meteorologických stanic, monitorů kvality ovzduší, sledovat majetek nebo implementovat aplikace pro chytré budovy. V zemědělství mohou poskytovat důležité informace o vlhkosti půdy, zdraví plodin a provozu zavlažovacích systémů.

Další nově vznikající aplikace zahrnují nabíjecí stanice pro elektromobily, které musejí komunikovat se záložními systémy v jakémkoli počasí; digitální nápisy poskytující zobrazení a oznámení v reálném čase; bezpečná úložná řešení vyžadující monitorování a kontrolu přístupu v reálném čase; a mobilní systémy na prodej jízdenek a informace pro cestující.

Každá aplikace IoT má jedinečné potřeby a konstruktéři produktů se musí přizpůsobit konkrétním případům použití, jakož i požadavkům na prostředí a komunikaci. Zařízení internetu věcí pracují v různých frekvenčních pásmech, což může mít vliv na jejich výkon, a vzhledem k omezenému prostoru pro zařízení může být obtížné integrovat antény, aniž by byly ohroženy ostatní komponenty.

Při výběru správné antény pro aplikaci IoT je dále potřeba zohlednit také výkon, velikost, cenu a kompatibilitu. Tato situace by mohla konstruktéry snadno vést k integraci různých antén, aby vyhověli potřebám zákazníků, což by vedlo ke složitým problémům s podporou a dodavatelským řetězcem.

Více síťových protokolů

Nízkoenergetické protokoly sítě WAN (LPWAN), například úzkopásmový internet IoT (NB-IoT), podporují nízké přenosové rychlosti a vyžadují nízkou spotřebu energie, vysoký zisk a vysokou účinnost, aby dokázaly udržet stabilitu připojení na dlouhé vzdálenosti. Aplikace obvykle vyžadují všesměrové antény poskytující široký vyzařovací diagram pokrývající velké oblasti.

Protokoly Wi-Fi s krátkým dosahem naopak podporují vysoké přenosové rychlosti, vyžadují však nízký zisk a vysokou účinnost, aby bylo dosaženo úspor energie a nedocházelo k rušení vlivem jiných zařízení. Antény by měly vykazovat úzký vyzařovací diagram pro zaměření signálu.

Mobilní protokol IoT LTE CAT-1 nabízí střední přenosové rychlosti a středně široké mobilní připojení pro aplikace IoT. Šířka pásma pro příjem se pohybuje od 1,4 MHz do 20 MHz, přičemž protokol podporuje rychlost příchozího připojení ve špičkách až 10 Mbit/s a rychlost odchozího připojení ve špičkách až 5 Mbit/s. Aplikace jsou schopné využívat výhody plného duplexu a nízké spotřeby energie.

Protokol LTE CAT-M1 usiluje o rovnováhu mezi rychlostí přenosu dat a energetickou účinností. Aplikace vyžadují velmi nízkou spotřebu energie s anténami podporujícími šířku pásma 1,4 MHz a rychlost příchozího a odchozího připojení ve špičkách 1 Mbit/s. Jsou schopné využívat výhod plného nebo polovičního duplexu.

Protokol CAT-4 LTE podporuje výrazně vyšší rychlostí přenosu dat a nižší latence pro náročnější IoT aplikace, včetně aplikací v reálném čase. Poskytuje plný duplex s rychlost příchozího připojení až 150 Mbit/s a rychlostí odchozího připojení až 50 Mbit/s.

Univerzální antény

Společnost TE Connectivity (TE) nabízí víceportové IoT antény skupiny VersAnte v kompaktním tvarovém faktoru schopné poskytovat kombinované pokrytí mobilními 4G/5G sítěmi, sítí Wi-Fi a globálním navigačním satelitním systémem (GNSS). Díky možnosti integrovat různé komunikační protokoly do jediné antény mohou konstruktéři zjednodušit své návrhy.

Na rozdíl od některých antén, které pro optimální výkon vyžadují specifickou zemní rovinu, jsou tyto antény na zemní rovině nezávislé a lze je namontovat na kovové i nekovové povrchy, což umožňuje konstruktérům instalovat je na místa optimalizující příjem signálu. Radomové kryty lze přelakovat běžně dostupnými nekovovými barvami ve spreji.

Antény skupiny VersAnte od společnosti TE poskytují všesměrové pokrytí v rozsahu 360°, čímž snižují potřebu opakovaného vysílání z důvodů slabých signálů, což by mohlo vést k vyšší spotřebě energie. Zavádějí rovnováhu zisku a spotřeby energie a optimalizují tak celkový výkon.

Tyto kompaktní antény jsou vhodné pro aplikace s omezeným místem, kde se bez problémů vejdou do stísněných prostor, jako jsou malé koncové body IoT, digitální displeje a nabíjecí stanice elektromobilů. Antény jsou dostatečně robustní, aby poskytovaly spolehlivý výkon v náročných podmínkách, čímž se stávají méně náchylnými k poškození vlivem vandalismu nebo faktorů prostředí.

Model VersAnte L000321-01 (obrázek 1) je 3portová, nízkoprofilová anténa ve tvaru puku. Poskytuje pokrytí mobilním 4G/5G, Wi-Fi a GNSS signálem pro uspokojení potřeb celé řady aplikací od koncových bodů IoT přes chytré terminály až po digitální informační displeje. Tato anténa o výšce 1,024 palce (26,00 mm) a průměru 3,55 palce (90,2 mm) poskytuje vysoký výkon na velmi malém půdorysu.

Obrázek 1: puková anténa VersAnte L000321-01 pro mobilní připojení. (Zdroj obrázku: TE Connectivity)

Společnost TE nabízí také 2portové, resp. 3portové kopulové antény L000322-01, resp. L000322-02 (obrázek 2), z nichž každá je osazena dvěma porty pro mobilní připojení 4G/5G a volitelným GNSS portem. Každá varianta má rozměry 5,90 x 1,77 x 1,97 palce (150 x 1,77 x 1,97 mm).

Obrázek 2: tvarový faktor antén VersAnte L000322-01 a L000322-02. (Zdroj obrázku: TE Connectivity)

Závěr

Rostoucí poptávka po nových bezdrátových aplikacích přináší příležitosti pro konstruktéry, kteří tak mohou do svých produktů integrovat více komunikačních technologií. Antény skupiny VersAnte od společnosti TE Connectivity jsou všestranné a robustní a současně podporují více bezdrátových technologií v kompaktním a nízkoprofilovém provedení. Díky jejich schopnost provozu na kovových i nekovových plochách v kombinaci s krytím IP67 a IP69K se stávají ideální volbu pro širokou škálu aplikací IoT ve vnitřních i venkovních prostředích vyžadujících spolehlivé a výkonné připojení.