Optymalizacja integracji anten w urządzeniach LPWA na pasmo ISM

Poprawa parametrów działania anteny

Podstawowa antena składa się z przewodnika o określonej długości, ale w celu podwyższenia jej parametrów można dodać dodatkowe elementy. Jednym z przykładów jest technologia antenowa MobliquA™ firmy Molex, w której zastosowano techniki zwiększające szerokość pasma (ilustracja 5). Technologia MobliquA została opracowana w celu poprawy zakresu częstotliwości, w którym straty odbiciowe są akceptowalne, co często określa się mianem „szerokości pasma impedancji”. Technologia ta może poprawić szerokość pasma impedancji o 60-70% bez pogorszenia sprawności promieniowania czy zwiększenia rozmiarów anteny. Antena na pasmo przemysłowe, naukowe i medyczne (ISM) zaprojektowana dla częstotliwości 868MHz i 915MHz z wykorzystaniem technologii MobliquA może mieć nawet o 75% mniejszą objętość niż konstrukcje konwencjonalne. Eliminuje potrzebę stosowania kosztownych obwodów czy dostrajania częstotliwości wymaganego do rozwiązania problemów związanych z zależnością od przeciwwagi anteny.

Ilustracja 5: Technologia MobliquA firmy Molex została zaprojektowana w celu poprawy szerokości pasma impedancji i zapewnienia wysokiego stopnia odporności na wprowadzanie metalowych elementów do objętości anteny. (Źródło ilustracji: Molex)

Technologia MobliquA umożliwia stosowanie elementów odsprzężonych lub uziemionych o częstotliwościach radiowych (RF), takich jak uziemiona obudowa złącza. Zapewnia ona dobrą odporność na wprowadzanie metalowych elementów do objętości anteny. Unikalne techniki zasilania w połączeniu z bezpośrednim uziemieniem elementów anteny zapewniają zwiększoną ochronę przed wyładowaniami elektrostatycznymi (ESD) w układach front-end na częstotliwości radiowe (RF).

Integracja anteny

Podczas gdy wszystkie omówione powyżej specyfikacje elektryczne są ważnymi aspektami integracji anteny, pozostaje jeszcze kwestia mechanicznego połączenia i zintegrowania anteny z układem. Możliwości jest wiele. Na przykład niektóre anteny są przeznaczone do wlutowania w układ, a inne posiadają kabel koncentryczny i złącze przymocowane do układu. W kolejnych dwóch sekcjach przedstawiono niektóre dane techniczne obu anten dookólnych.

Elastyczna antena na pasmo przemysłowe, naukowe i medyczne (ISM) z kablem koncentrycznym i złączem

W przypadku zastosowań wymagających dwuzakresowej anteny ISM 868/915MHz projektanci mogą skorzystać z modelu 2111400100 firmy Molex (ilustracja 6). Jest to antena monopolowa o wymiarach 38 x 10 x 0,1mm, wykonana z elastycznego materiału polimerowego i wyposażona w kabel koncentryczny o długości 100mm o średnicy zewnętrznej 1,13mm oraz złącze U.FL zgodne z MHF. Jest samoprzylepna i można ją przymocować do każdej niemetalowej powierzchni. Może obsługiwać moc 2W w zakresie częstotliwości radiowych (RF), a jej zakres temperatur roboczych wynosi od -40 do +85°C. Inne anteny z tej serii mają kable o długości 50, 150, 200, 250 i 300mm. Istnieje również możliwość wyprodukowania długości niestandardowych.

Ilustracja 6: Dwuzakresowa antena na pasmo przemysłowe, naukowe i medyczne (ISM) jest elastyczna i posidada mocowanie samoprzylepne. (Źródło ilustracji: Molex)

Najważniejsze dane techniczne obejmują:

• Sprawność: >55% przy częstotliwości 868MHz, >60% przy częstotliwości 902MHz
• Szczytowy zysk energetyczny: 0,3dBi przy częstotliwości 868MHz, 1,0dBi przy częstotliwości 902MHz
• Charakterystyka promieniowania: dookólna
• Straty odbiciowe (S11): < -5dB

Wysokosprawna, ceramiczna antena na pasmo przemysłowe, naukowe i medyczne (ISM) jest lutowana do płytki drukowanej

Gdy wymagana jest wyższa sprawność, projektanci mogą zastosować antenę ceramiczną 2081420001 zaprojektowaną specjalnie do zastosowań w pasmie przemysłowym, naukowym i medycznym (ISM) (ilustracja 7). Różne sieci dopasowujące mogą być stosowane w dwóch różnych pasmach częstotliwości: 868-870MHz i 902-928MHz. Jest przystosowana do pracy w temperaturze od -40 do +125°C i ma wymiary 9 x 3 x 0,63mm.

Ilustracja 7: Dzięki różnym sieciom dopasowującym ta antena ceramiczna może być stosowana w dwóch różnych pasmach częstotliwości: 868-870MHz i 902-928MHz. (Źródło ilustracji: Molex)

Najważniejsze dane techniczne obejmują:

• Sprawność: 70% przy 868MHz, 65% przy 902MHz
• Szczytowy zysk energetyczny: 1,5dBi przy 868MHz, 1,8dBi przy 902MHz
• Charakterystyka promieniowania: dookólna
• Straty odbiciowe (S11): < -10 przy 868MHz, < -5 przy 902MHz

Podsumowanie

Optymalizacja anteny i integracja z zastosowaniami LPWA w pasmie przemysłowym, naukowym i medycznym (ISM), w tym z protokołami Internetu rzeczy takimi jak LoRa, Neul, SigFox, Zigbee i Z-Wave, jest ważnym i złożonym zadaniem. Optymalizacja budżetu łącza jest konieczna, aby zapewnić dobre parametry działania sieci bezprzewodowej i długi czas pracy baterii. Wiąże się to z licznymi kompromisami dotyczącymi parametrów elektrycznych oraz opracowania skutecznej sieci dopasowania impedancji. W procesie doboru anteny należy również uwzględnić środowisko pracy oraz wymagania mechaniczne i dotyczące połączeń między urządzeniami.

Źródło: Optymalizacja integracji anten w urządzeniach LPWA na pasmo ISM

Autor: Jeff Shepard

Kontakt w Polsce: Arkadiusz Rataj

Sales Manager Central Eastern Europe & Turkey

Digi-Key Electronics Germany

0048 696 307 330

arkadiusz.rataj@digikey.com

poland.support@digikey.pl