Optimalizace integrace antén do zařízení ISM LPWA

Pokračující expanze internetu věcí (IoT) v průmyslových, spotřebitelských a zdravotnických zařízeních, plus vznikající chytrá města a chytré budovy, jsou hnacím motorem rychle rostoucího využívání bezdrátových sítí s nízkou spotřebou energie pro rozsáhlá území („Low Power Wide Area“, LPWA). To platí zejména v průmyslových, vědeckých a lékařských („Industrial, Scientific, and Medical“, ISM) radiofrekvenčních (RF) pásmech 915 MHz v USA,868 a 169 MHz v Evropě a 433 MHz v Asii, které podporují bezdrátové protokoly jako LoRa, Neul, SigFox, Zigbee a Z-Wave.

Zařízení LPWA se neustále zmenšují a potřebují levné a kompaktní antény s vynikajícím výkonem. Problémy se zemní rovinou antény mohou být obzvláště problematické v pásmech ISM 868 a 915 MHz. Lze je řešit pomocí dalších obvodů, zvýšené integrace zařízení a přesnějšího ladění frekvence, což vše může prodloužit dobu vývoje a náklady na něj. Konstruktéři potřebují antény, které minimalizují starosti se zemní rovinou. Zařízení LPWA jsou navíc často napájena z baterií a vyžadují maximální energetickou účinnost. Výběr a integrace antény jsou kritickým aspektem efektivního návrhu. Jakékoli jiné než optimální řešení antény může snížit životnost baterie a vést ke špatnému celkovému výkonu systému.

Optimalizovaná výkonová bilance je jedním z klíčů ke spolehlivému a efektivnímu bezdrátovému komunikačnímu rozhraní. Výběr a integrace antény mají na výkonovou bilanci významný dopad. Ale návrh nebo výběr účinné a vysoce výkonné antény, která bude řešit jak výkonovou bilanci, tak problémy se zemní rovinou, jsou složitým procesem. Specifikace antén, které ovlivňují výkonovou bilanci, zahrnují impedanci, útlum odrazu, poměr napětí stojatých vln, zisk, vyzařovací diagram a další. Identifikace snadno integrovatelných, kompaktních a vysoce výkonných antén, které minimalizují problémy se zemní rovinou, může výrazně zkrátit dobu projektování a zlepšit celkový výkon systému.

V tomto článku je popsán model základní výkonové bilance a jsou zde shrnuty klíčové specifikace antény, které ovlivňují výkonovou bilanci, a představeny příklady antén od společnosti Molex, které mohou řešit problémy se zemní rovinou a pomoci optimalizovat výkonové bilance v zařízeních LPWA.

Základní výkonová bilance

Výkonová bilance měří v bezdrátovém systému efektivní RF energii, která vstupuje do přijímače. Rovnice začíná přenášeným výkonem v dBm, přidává případné zisky v dB, odečítá ztráty, rovněž v dB, a dospívá k přijímanému výkonu v dBm. V praxi k těmto ziskům a ztrátám přispívá mnoho faktorů.

Hlubší ponoření do výkonové bilance

Jediným faktorem ovlivňujícím zisky a ztráty je ve výkonové bilanci výkon antény. Třemi důležitými aspekty výkonu antény jsou účinnost antény, zisk a vyzařovací diagram a často se měří pomocí komory OTA („over-the-air“, vzduchem) (obrázek 1). Dalšími faktory, které mohou ovlivnit výkonovou bilanci, jsou útlum odrazu (parametr S11) a poměr napětí stojatých vln („voltage standing wave ratio“, VSWR).

Obrázek 1: Účinnost antény, zisk a vyzařovací diagram se měří pomocí komory OTA. (DUT na obrázku odkazuje na testované zařízení („Device Under Test“) (Zdroj obrázku: společnost Molex)

Účinnost antény určuje emisivitu antény. Často se používá průměrná účinnost, ale účinnost nelze vyjádřit jedním číslem. Je to křivka, která může být v závislosti na konkrétní uvažované anténě více či méně plochá (obrázek 2). Anténa s plošší křivkou účinnosti bude mít často nižší maximální účinnost než anténa s křivkou účinnosti s výraznějším vrcholem.

Obrázek 2: Křivky účinnosti antény se mohou značně lišit: anténa vlevo má plošší křivku účinnosti, ale anténa vpravo má asi o 10 % vyšší špičkovou účinnost při 915 MHz. (Zdroj obrázku: společnost Molex)

Stejně jako účinnost lze i zisk antény měřit jako průměrnou nebo špičkovou/maximální hodnotu. Při dané frekvenci se průměrný zisk měří v trojrozměrném prostoru napříč všemi úhly, zatímco maximální zisk je jeden pracovní bod. Obecně platí, že čím vyšší průměrný zisk, tím lépe.

Důležitým faktorem při určování zisku je vyzařovací diagram antény. Teoretická anténa, která vyzařuje stejnou energii do všech směrů, se nazývá izotropní zářič a má zisk 0 dB (jednotkový zisk). Skutečné antény, dokonce i takzvané všesměrové konstrukce, mají neizotropní vyzařovací diagramy a mohou být více či méně směrové, jak je měřeno ve 3D rovinách (obrázek 3). Anténa se ziskem 3 dB je v daném směru dvakrát účinnější než izotropní zářič. V tomto konkrétním směru zdvojnásobuje výkon vysílače nebo citlivost přijímače.

Obrázek 3: Vyzařovací diagramy se pro různé konstrukce antén liší a mohou být důležité při výpočtech výkonové bilance. Obě tyto antény mají všesměrové vyzařovací diagramy. (Zdroj obrázku: společnost Molex)

Vyzařovací diagram ovlivňují konstrukce antény a okolní prostředí. Typická měření uvedená v katalogovém listu využívají prostředí volného prostoru bez okolního rušení. Ve skutečných implementacích bude špičkový zisk snížen o 1 až 2 decibely ve srovnání s izotropním ziskem (dBi), protože vyzařovací diagram se v důsledku okolních komponent změní.

Útlum odrazu (S11) a poměr napětí stojatých vln (VSWR) představují související měření množství energie odražené od antény zpět do RF obvodu. Menší hodnoty jsou příznivější (obrázek 4). Za minimální přijatelné úrovně výkonu jsou často považovány hodnoty S11 ≤ −6 dB nebo VSWR ≤ 3. Je-li S11 = 0 dB, pak se veškerý výkon odráží a žádný se nevyzařuje. Nebo pokud je parametr S11 = −10 dB při dodávání 3dB výkonu do antény, je odražený výkon −7 dB. Anténa zbytek energie spotřebuje.

Obrázek 4: Útlum odrazu vysoce účinné antény (vpravo) je asi −14 dB při 915 MHz, zatímco útlum odrazu antény s nižší účinností a plošší křivkou účinnosti je asi −10 dB při 915 MHz. (Zdroj obrázku: společnost Molex)

Poměr VSWR je funkcí koeficientu odrazu. Stejně jako u útlumu odrazu znamená menší VSWR lepší anténu. Minimální hodnota VSWR je 1,0, kdy se od antény neodráží žádný výkon. Přizpůsobení impedance lze použít k minimalizaci hodnot S11 a VSWR. Přizpůsobení impedance zahrnuje úpravu přenosového vedení mezi anténou a RF obvodem pro zlepšení maximálního přenosu energie. Nekompatibilita impedance má za následek, že část RF energie není anténou přijímána. Přesné přizpůsobení mezi impedancí přenosového vedení a impedancí antény má za následek, že anténou je přijímán veškerý RF výkon.

Některé antény mají impedanci 50 Ω a nepotřebují přizpůsobovací síť. Většina antén vyžaduje k optimalizaci výkonu antény impedanční přizpůsobovací síť v přenosovém vedení. Přizpůsobovací sítě jsou obecně vyžadovány s anténami, které podporují více frekvenčních pásem. Přizpůsobovací síť se může v případě potřeby skládat z různých kombinací kondenzátorů, induktorů nebo rezistorů.

Zlepšení výkonu antény

Základní anténa se skládá z vodiče dané délky, ale ke zvýšení výkonu antény lze přidat další prvky. Jedním z příkladů je anténní technologie MobliquA™ od společnosti Molex, která zahrnuje technologie pro zlepšení šířky pásma (obrázek 5). Technologie MobliquA je navržena tak, aby zlepšila rozsah frekvencí, ve kterých je přijatelný útlum odrazu, často označovaných jako „impedanční šířka pásma“. Tato technologie může zlepšit impedanční šířku pásma o 60 až 70 procent, aniž by došlo ke snížení účinnosti vyzařování nebo zvětšení velikosti antény. Anténa ISM navržená pro 868 MHz a 915 MHz využívající technologii MobliquA může mít až o 75 % menší objem než konvenční konstrukce a může eliminovat potřebu drahých obvodů a frekvenčního ladění, které jsou nutné k řešení problémů se závislostí na zemní rovině.

Obrázek 5: Technologie MobliquA společnosti Molex je navržena tak, aby zlepšila impedanční šířku pásma a poskytla vysoký stupeň odolnosti vůči vkládání kovových předmětů do prostoru antény. (Zdroj obrázku: společnost Molex)

Technologie MobliquA umožňuje použití RF oddělených nebo uzemněných částí, jako je například uzemněný kryt konektoru. Poskytuje dobrou odolnost proti vložení kovových částí do prostoru antény. Její jedinečné techniky napájení kombinované s přímým uzemněním prvků antény poskytují pro RF front-end zvýšenou ochranu před elektrostatickým výbojem („electrostatic discharge“, ESD).

Integrace antény

Zatímco všechny elektrické specifikace diskutované výše jsou důležitými aspekty integrace antény, nastává také otázka mechanického připojení a integrace antény do systému. Možností je více. Některé antény jsou například navrženy k připájení do systému a jiné zase obsahují koaxiální kabel a konektor připojitelný k systému. Následující dvě části představují některé specifikace pro jednotlivé všesměrové antény.

Flexibilní ISM anténa s koaxiálním kabelem a konektorem

V aplikacích, které potřebují dvoupásmovou ISM anténu 868/915 MHz, mohou konstruktéři využít model 2111400100 od společnosti Molex (obrázek 6). Tato monopólová anténa měří 38 × 10 × 0,1 mm, je vyrobena z pružného polymerového materiálu a má 100 mm dlouhý mikrokoaxiální kabel s vnějším průměrem 1,13 mm a konektor U.FL, který je kompatibilní s MHF. Je k dispozici v provedení se snadným sloupnutím a nalepením a přichytí se k jakémukoli nekovovému povrchu. Zvládne 2 W RF výkonu a má rozsah provozních teplot −40 až +85 °C. Ostatní antény v této řadě mají možnosti délky kabelu 50, 150, 200, 250 a 300 mm a vyrobit lze i vlastní délky.

Obrázek 6: Tato dvoupásmová ISM anténa je flexibilní a montuje se v systému pomocí lepidla se snadným sloupnutím a nalepením. (Zdroj obrázku: společnost Molex)

Mezi některé klíčové specifikace patří:

• Účinnost: >55 % při 868 MHz, >60 % při 902 MHz
• Špičkový zisk: 0,3 dBi při 868 MHz, 1,0 dBi při 902 MHz
• Vyzařovací diagram: všesměrový
• Útlum odrazu (S11): <−5 dB

Vysoce účinná keramická ISM anténa připájená k desce plošných spojů

Pokud je potřeba vyšší efektivita, mohou konstruktéři použít keramickou anténu 2081420001, která je navržena speciálně pro aplikace ISM (obrázek 7). Ve dvou různých frekvenčních pásmech 868–870 MHz a 902–928 MHz lze použít různé přizpůsobovací sítě. Anténa je určena pro provoz od −40 do +125 °C a měří 9 × 3 × 0,63 mm.

Obrázek 7: Tuto keramickou anténu lze s různými přizpůsobovacími sítěmi použít ve dvou různých frekvenčních pásmech 868–870 MHz a 902–928 MHz. (Zdroj obrázku: společnost Molex)

Mezi některé klíčové specifikace patří:

• Účinnost: >70 % při 868 MHz, >65 % při 902 MHz
• Špičkový zisk: 1,5 dBi při 868 MHz, 1,8 dBi při 902 MHz
• Vyzařovací diagram: všesměrový
• Útlum odrazu (S11): <−10 při 868 MHz, <−5 při 902 MHz

Shrnutí

Optimalizace a integrace antény do aplikací LPWA ISM, včetně protokolů LoRa, Neul, SigFox, Zigbee a Z-Wave IoT, je důležitým a komplexním úkolem. Optimalizace výkonové bilance je nezbytná pro zajištění dobrého bezdrátového výkonu a dlouhé životnosti baterie. Zahrnuje četné kompromisy elektrických provozních specifikací a vývoj efektivní sítě s přizpůsobením impedance. Proces výběru antény musí vzít v úvahu také provozní prostředí a mechanické a propojovací požadavky zařízení.