Výběr a používání antén pro zařízení IoT

Šíření zařízení internetu věcí („Internet of Things“, IoT) se stále zrychluje a inspiruje navrhování inovativních koncových produktů. Konstruktéři však musí pamatovat na to, že bez ohledu na to, kolik kreativity a úsilí je věnováno hardwaru a softwaru, klíčovou roli hraje anténa. Pokud anténa nefunguje správně, je výkon produktu vážně ohrožen.

Anténa jako rozhraní mezi zařízením a bezdrátovou sítí je kritickou součástí procesu návrhu zařízení IoT. Ve vysílači převádí elektrickou energii na elektromagnetické radiofrekvenční („radio-frequency“, RF) vlny a v přijímači převádí příchozí RF signál na elektrickou energii. Konstruktéři mohou optimalizovat výkon aplikace výběrem antény, která splňuje klíčové technické parametry. Mnoho dostupných možností a úvah však může vést ke zpožděným a nákladným cyklům návrhu.

V tomto článku je shrnuta role antény v bezdrátovém zařízení IoT a stručně popsána kritická kritéria návrhu ovlivňující její výběr. V článku jsou pak na příkladech antén od společnosti Amphenol ilustrovány vhodné možnosti pro senzor Bluetooth s nízkou spotřebou energie („Low Energy“, LE) nebo Wi-Fi, zařízení IoT pro sledování majetku s možností satelitního určování polohy GNSS, přístupový bod („access point“, AP) Wi-Fi a zařízení LoRa IoT.

Interpretace katalogového listu

Konečný výkon antény závisí na technických rozhodnutích, jako je montážní poloha a návrh sítí impedančního přizpůsobení. Dobrá implementace vyžaduje pečlivé prostudování katalogového listu antény. Mezi klíčové parametry patří:

• Vyzařovací diagram: Graficky definuje, jak anténa vyzařuje (nebo absorbuje) radiovou energii ve 3D prostoru (obrázek 1).
• Maximální přenos výkonu: K dobrému přenosu výkonu mezi anténou a přijímačem dochází, když je impedance přenosového vedení (Z₀) přizpůsobena anténě (Z_a). Špatné impedanční přizpůsobení zvyšuje útlum odrazu („return loss“, RL). Impedanční přizpůsobení mezi přenosovým vedením a anténou udává poměr napětí stojatých vln („voltage standing wave ratio“, VSWR) (tabulka 1). Vysoké hodnoty VSWR mají za následek vysoké výkonové ztráty. Pro produkt IoT je obecně přijatelný VSWR nižší než 2.
• Frekvenční odezva: Útlum odrazu (RL) závisí na rádiové frekvenci. Konstruktéři by měli zkontrolovat frekvenční odezvu antény v katalogovém listu, aby se ujistili, že je útlum odrazu na zamýšlené provozní frekvenci minimalizován (obrázek 2).
• Směrovost: Měří směrový charakter vyzařovacího diagramu antény. Maximální směrovost je definována jako D_max.
• Účinnost (η): Poměr celkového vyzářeného výkonu („total radiated power“, TRP nebo P_rad) k příkonu (P_in) se vypočítává podle vzorce η = (Prad/Pin) × 100 %.
• Zisk: Popisuje, jaký výkon je přenášen ve směru špičkového vyzařování. Obvykle se vztahuje k izotropní anténě s označením dBi. Vypočítává se podle vzorce Gain_max = η × D_max.

Obrázek 1: Vyzařovací diagramy graficky znázorňují, jak anténa vyzařuje nebo pohlcuje radiovou energii ve 3D prostoru. Katalogové listy typicky uvádějí maximální rozsah v rovinách XY a YZ, když je anténa namontována tak, jak bylo zamýšleno. (Zdroj obrázku: společnost Amphenol)

Tabulka 1: VSWR udává impedanční přizpůsobení mezi přenosovým vedením a anténou. Pro produkt IoT je obecně přijatelný VSWR nižší než 2. (Zdroj tabulky: Steven Keeping)

Obrázek 2: VSWR a RL jsou závislé na frekvenci. RL by měl být při zamýšlené provozní frekvenci minimalizován. (Zdroj obrázku: společnost Amphenol)

Zvyšování výkonu

Anténa se špatným výkonem omezuje, kolik elektrického výkonu se přemění na energii vyzářenou ve vysílači a kolik energie se získá z příchozích RF signálů v přijímači. Špatný výkon na obou stranách snižuje dosah bezdrátového spojení.

Primárním faktorem ovlivňujícím výkon antény je impedance. Významný nesoulad mezi impedancí antény (která souvisí s napětím a proudem na jejím vstupu) a impedancí zdroje napětí, který anténu pohání, má za následek špatný přenos energie.

Dobře navržený obvod impedančního přizpůsobení minimalizuje VSWR a následné výkonové ztráty tím, že přizpůsobuje impedanci napájecích zdrojů vysílače impedanci antény. Impedance je pro produkt IoT s nízkou spotřebou energie typicky 50 Ω.

Vysílací výkon a citlivost příjmu koncového produktu výrazně ovlivňuje také poloha antény. U interní antény doporučují konstrukční zásady umístění v horní části zařízení IoT na okraji desky plošných spojů (DPS) a co nejdále od ostatních součástek, které by mohly během provozu generovat elektromagnetické rušení („electromagnetic interference“, EMI). Výjimkou jsou součástky impedančního přizpůsobení, protože se nutně nacházejí v blízkosti antény. Podložky desky plošných spojů a spoje spojující anténu se zbytkem obvodů by měly být jedinými měděnými vodiči ve vymezeném volném prostoru (obrázek 3).

Obrázek 3: Anténa namontovaná na desce plošných spojů by měla být umístěna blízko okraje desky plošných spojů. Anténa by měla být také umístěna mimo ostatní součástky (kromě těch, které se používají pro obvod impedančního přizpůsobení), a to tak, že bude mít vymezený volný prostor. (Zdroj obrázku: společnost Amphenol)

(Další podrobnosti o konstrukčních zásadách pro antény naleznete v článku „Využití vícepásmových integrovaných antén k úspoře místa, složitosti a nákladů v návrzích IoT“).

Typy antén

Specifikace antény je kritickou součástí procesu návrhu zařízení IoT. Anténa by měla být optimalizována pro RF pásmo cílového bezdrátového rozhraní, například NB-IoT pro několik pásem mezi 450 MHz a 2 200 MHz, LoRa v Severní Americe pro 902 až 928 MHz, Wi-Fi pro 2,4 GHz a 5 GHz a Bluetooth LE pro 2,4 GHz.

Antény využívají různé elektrické koncepty. Příklady jsou monopólová, dipólová, smyčková, invertovaná F-anténa („inverted F antenna“, IFA) a planární invertovaná F-anténa („planar inverted-F antenna“, PIFA). Každá z nich se hodí pro určitou aplikaci.

Existují také nesymetrické a diferenciální antény. Nesymetrický typ je nevyvážený, zatímco diferenciální antény jsou vyvážené. Nesymetrické antény přijímají nebo vysílají signál vztažený k zemi a jejich charakteristická vstupní impedance je typicky 50 Ω. Protože však mnoho RF integrovaných obvodů má diferenciální RF porty, je v případě nesymetrické antény často nutná transformační síť. Tato síť symetrizačního členu transformuje signál z vyváženého do nevyváženého.

Diferenciální anténa vysílá pomocí dvou komplementárních signálů, každý ve svém vlastním vodiči. Protože je anténa vyvážená, není při použití antény s RF integrovanými obvody s diferenciálními RF porty zapotřebí žádný symetrizační člen.

A konečně, antény se vyrábějí v několika formách, jako jsou plošný spoj, čip nebo patch, externí bič a drát. Na obrázku 4 jsou příklady vzorových aplikací.

Obrázek 4: Pro různé aplikace IoT jsou k dispozici různé antény. (Zdroj obrázku: společnost Amphenol)

Přizpůsobení antény aplikaci

Konečný výběr antény určuje aplikace a rozměr produktu. Pokud je například produkt IoT prostorově omezen, lze anténu na desce plošných spojů zabudovat přímo do obvodů desky plošných spojů. Tyto antény jsou vynikající volbou pro aplikace v pásmu 2,4 GHz, jako jsou senzory Bluetooth LE nebo Wi-Fi v zařízeních chytré domácnosti, včetně osvětlení, termostatů a zabezpečovacích systémů. Nabízejí spolehlivý RF výkon v nízkoprofilové architektuře. Přesto je návrh antén na deskách plošných spojů složitý. Alternativou je získat anténu na desce plošných spojů od komerčního dodavatele. Anténa poté může být připevněna k desce plošných spojů pomocí lepicí podložky.

Příkladem antény na desce plošných spojů je RF anténa-plošný spoj na DPS Wi-Fi ST0224-10-401-A společnosti Amphenol. Anténa nabízí všesměrový vyzařovací diagram v pásmech 2,4 až 2,5 GHz a 5,15 až 5,85 GHz. Anténa má rozměry 30 × 10 × 0,2 mm a má impedanci 50 Ω. Její útlum odrazu je v obou frekvenčních rozsazích menší než −10 dB a její špičkový zisk je 2,1 dB vzhledem k izotropnímu (dBi) v pásmu 2,4 GHz a 3,1 dBi v pásmu 5 GHz. Její účinnost je 77, respektive 71 % (obrázek 5).

Obrázek 5: Anténa-plošný spoj na DPS Wi-Fi ST0224-10-401-A je účinná v pásmech 2,4 i 5 GHz. (Zdroj obrázku: společnost Amphenol)

Další možností pro produkty IoT s omezeným prostorem je čipová anténa. Automatizovaná zařízení mohou tuto kompaktní součástku namontovat přímo na DPS. Anténa se hodí pro bezdrátové aplikace IoT založené na Bluetooth LE nebo Wi-Fi. Hlavními výhodami čipové antény jsou úspora místa, nižší výrobní náklady a zjednodušený proces návrhu.

Jak je popsáno výše, výkon čipové antény je ovlivněn faktory, jako je rozložení DPS a okolních součástek, ale pokrok v anténní technologii vedl k vysoce účinným zařízením. Čipové antény se hodí pro různé aplikace, od chytrých telefonů a tabletů až po systémy pro chytré domácnosti a průmyslové senzory.

Příkladem je čipová anténa pro povrchovou montáž na DPS 2,4 GHz ST0147-00-011-A společnosti Amphenol. Anténa nabízí všesměrový vyzařovací diagram ve frekvenčním pásmu 2,4 až 2,5 GHz (obrázek 6). Anténa má rozměry 3,05 × 1,6 × 0,55 mm a má impedanci 50 Ω. Její útlum odrazu je menší než −7 dB, špičkový zisk je 3,7 dBi a průměrná účinnost je 80 %.

Obrázek 6: Čipová anténa pro povrchovou montáž ST0147-00-011-A je kompaktní a vykazuje všesměrový vyzařovací diagram v rovině XY. (Zdroj obrázku: společnost Amphenol)

Stejně jako antény na DPS jsou i patch antény kompaktní a lze je k DPS připojit přímo. Typickou aplikací je anténa pro sledování majetku nebo jiná zařízení s funkcí globálního navigačního satelitního systému („Global Navigation Satellite System“, GNSS). Patch antény GNSS obsahují na dielektrickém substrátu patch prvek. Vysoká účinnost zajišťuje, že anténa zachytí slabé signály GNSS z více satelitů.

Příkladem je pasivní GNSS anténa pro provoz ve frekvenčních pásmech 1,575 a 1,602 GHz ST0543-00-N04-U společnosti Amphenol. Anténa má rozměry 18 × 18 × 4 mm a má impedanci 50 Ω. Její útlum odrazu je v obou frekvenčních rozsazích menší než −10 dB a její špičkový zisk je menší než −0,5 dBi v pásmu 1,575 GHz a 1,0 dBi v pásmu 1,602 GHz. Její účinnost je 80, respektive 82 %.

Externí bičové antény, jako je anténa na přístupovém bodu Wi-Fi, jsou namontovány mimo zařízení IoT, aby se optimalizoval rádiový provoz. Externí bičová anténa prodlužuje dosah signálu, zlepšuje kvalitu signálu a překonává překážky nebo rušení. Jsou užitečné v prostředích se slabými nebo rušenými signály, jako jsou ty, které jsou tlumeny stěnami, stropy a nábytkem v domácnosti. K dispozici jsou přímé a otočné bičové konstrukce, každá se standardním připojením RF rozhraní, jako je konektor SMA, RP-SMA a N.

Příkladem je RF tyčová anténa 2,4 a 5 GHz SMA ST0226-30-002-A společnosti Amphenol. Tato anténa je dobrým řešením pro přístupové body Wi-Fi a set-top-boxy (STB). Nabízí všesměrový vyzařovací diagram ve frekvenčních pásmech 2,4 až 2,5 GHz a 5,15 až 5,85 GHz. Anténa má rozměry 88 × 7,9 mm a má impedanci 50 Ω. Její útlum odrazu je v obou frekvenčních rozsazích menší než −10 dB a její špičkový zisk je menší než 3,0 dBi v pásmu 2,4 GHz a 3,4 dBi v pásmu 5 GHz. Její účinnost je 86, respektive 75 %. Anténa je k dispozici s konektorem SMA nebo RP-SMA (obrázek 7).

Obrázek 7: Externí bičová anténa ST0226-30-002-A pro přístupové body Wi-Fi je k dispozici s konektorem SMA nebo RP-SMA. (Zdroj obrázku: společnost Amphenol)

Šroubovicové drátové antény jsou levnou a jednoduchou možností pro aplikace s méně než jedním gigahertzem, jako jsou zařízení LoRa IoT pracující ve frekvenčním pásmu 868 MHz. Tyto antény jsou obvykle připájeny přímo k desce plošných spojů a nabízejí dobrý výkon. Mezi nevýhody patří objemnost, zejména při provozu na nízkých frekvencích, a relativně nízká účinnost ve srovnání s některými alternativami antén.

Příkladem je RF anténa 862 MHz ST0686-10-N01-U společnosti Amphenol (obrázek 8). Tato šroubovicová drátová anténa pracuje ve frekvenčním pásmu 862 až 874 MHz a má impedanci 50 Ω. Anténa se vyznačuje montáží s pájením do průchozího otvoru s maximální výškou 38,8 mm. Má útlum odrazu nižší než −9,5 dB, špičkový zisk 2,5 dBi a průměrnou účinnost 58 %.

Obrázek 8: Šroubovicová drátová anténa ST0686-10-N01-U je dobrou volbou pro aplikace LoRa IoT. (Zdroj obrázku: společnost Amphenol)

Závěr

Rádiový výkon bezdrátových zařízení IoT závisí na výběru antény, takže konstruktéři musí pečlivě vybírat ze široké škály návrhů antén od dodavatelů, jako je společnost Amphenol, aby co nejlépe vyhovovaly dané aplikaci. Při výběru jsou kriticky důležité katalogové listy, ale nejlepší bezdrátový výkon zajišťuje dodržování zavedených konstrukčních zásad.