Optymalizacja integracji anten w urządzeniach LPWA na pasmo ISM

Ciągły rozwój Internetu rzeczy (IoT) w urządzeniach przemysłowych, konsumenckich i medycznych, a także powstające inteligentne miasta i inteligentne budynki powodują szybki wzrost wykorzystania rozległych sieci bezprzewodowych niskiej mocy (LPWA). Dotyczy to w szczególności częstotliwości radiowych w paśmie przemysłowym, naukowym i medycznym (ISM) 915MHz w USA.SA, 868 i 169MHz w Europie oraz 433MHz w Azji, które obsługują protokoły bezprzewodowe, takie jak LoRa, Neul, SigFox, Zigbee oraz Z-Wave.

Urządzenia LPWA stają się coraz mniejsze oraz wymagają niedrogich i kompaktowych anten o doskonałych parametrach działania. Problemy z przeciwwagą anteny mogą być szczególnie kłopotliwe w pasmach ISM 868 i 915MHz. Można sobie z nimi poradzić za pomocą dodatkowych obwodów, większej integracji urządzeń i bardziej precyzyjnego dostrajania częstotliwości, co może wydłużyć czas prac rozwojowych i zwiększyć koszty. Projektanci potrzebują anten, które minimalizują problemy związane z przeciwwagą anteny. Ponadto urządzenia LPWA są często zasilane bateryjnie i wymagają maksymalnej sprawności energetycznej. Dobór typu anteny i sposób jej integracji jest krytycznym aspektem efektywnego projektu. Nieoptymalne rozwiązania antenowe mogą skrócić czas pracy baterii i spowodować obniżenie ogólnych parametrów działania układu.

Zoptymalizowany budżet łącza jest jednym z kluczowych elementów niezawodnego i wydajnego interfejsu komunikacji bezprzewodowej. Na budżet łącza znaczący wpływ ma dobór anteny i sposób jej integracji. Jednak zaprojektowanie czy dobór wydajnej anteny o wysokich parametrach z uwzględnieniem zarówno budżetu łącza, jak i kwestii związanych z przeciwwagą anteny, jest procesem złożonym. Parametry anteny, które mają wpływ na budżet łącza, to m.in. impedancja, straty odbiciowe, napięciowy współczynnik fali stojącej, zysk energetyczny, charakterystyka promieniowania. Znalezienie kompaktowych, łatwych do integracji i wysokoparametrowych anten, które minimalizują problemy związane z przeciwwagą anteny, może znacznie skrócić czas projektowania i poprawić ogólne parametry działania układu.

W niniejszym artykule opisano podstawowy model budżetu łącza, omówiono kluczowe specyfikacje anteny, które mają wpływ na budżet łącza, oraz przedstawiono przykłady anten firmy Molex, które mogą rozwiązać problemy związane z przeciwwagą anteny i pomóc w optymalizacji budżetu łącza w urządzeniach LPWA.

Podstawowy budżet łącza

Budżet łącza w układzie bezprzewodowym mierzy efektywną energię radiową, która dociera do odbiornika. Równanie rozpoczyna się od mocy nadawanej w dBm, dodaje się do niej zyski energetyczne w dB, odejmuje straty, również w dB, otrzymując w efekcie moc odbieraną w dBm. W praktyce na zyski i straty wpływa wiele czynników.

Głębsze spojrzenie na budżety łączy

Jedynym czynnikiem wpływającym na zyski i straty w budżecie łącza są parametry działania anteny. Sprawność anteny, zysk energetyczny i charakterystyka promieniowania to trzy ważne aspekty parametrów działania anteny, które są często mierzone za pomocą komory bezprzewodowej (OTA - „over-the-air”) (ilustracja 1). Inne czynniki, które mogą mieć wpływ na budżet łącza, to straty odbiciowe (parametr S11) i napięciowy współczynnik fali stojącej (VSWR).

Ilustracja 1: Pomiar sprawności, zysku energetycznego i charakterystyki promieniowania anteny przy użyciu komory OTA. (DUT na ilustracji oznacza badane urządzenie) (źródło ilustracji: Molex)

Sprawność anteny określa jej emisyjność. Często stosuje się sprawność średnią, jednak sprawność to nie pojedyncza liczba. Jest to krzywa, która może być mniej lub bardziej płaska, w zależności od konkretnej anteny (ilustracja 2). Często antena o bardziej płaskiej krzywej sprawności będzie miała niższą maksymalną sprawność niż antena o krzywej mniej płaskiej.

Ilustracja 2: Krzywe sprawności anteny mogą się znacznie od siebie różnić: antena po lewej stronie ma bardziej płaską krzywą sprawności, a antena po prawej stronie ma o około 10% wyższą sprawność szczytową przy częstotliwości 915MHz. (Źródło ilustracji: Molex)

Podobnie jak sprawność, zysk energetyczny anteny może być mierzony jako wartość średnia lub szczytowa/maksymalna. Przy danej częstotliwości średni zysk energetyczny jest mierzony dla wszystkich kątów w przestrzeni trójwymiarowej, natomiast maksymalny zysk energetyczny dotyczy jednego punktu roboczego. Ogólnie rzecz biorąc, im większy średni zysk energetyczny, tym lepiej.

Ważnym czynnikiem przy określaniu zysku energetycznego jest charakterystyka promieniowania anteny. Antena teoretyczna, która wypromieniowuje taką samą energię we wszystkich kierunkach, jest nazywana promiennikiem izotropowym i ma zysk energetyczny równy 0dB (jednostkowy). Rzeczywiste anteny, nawet tzw. dookólne, mają nieizotropowe charakterystyki promieniowania i mogą być mniej lub bardziej kierunkowe w płaszczyznach 3D (ilustracja 3). Antena o zysku energetycznym 3dB ma dwa razy wyższą sprawność w danym kierunku niż promiennik izotropowy. Oznacza to podwojenie mocy nadajnika lub czułości odbiornika w danym kierunku.

Ilustracja 3: Różne charakterystyki promieniowania anten o różnych konstrukcjach mogą być istotne dla obliczeń budżetu łącza. Obie anteny mają dookólne charakterystyki promieniowania. (Źródło ilustracji: Molex)

Na charakterystykę promieniowania wpływa konstrukcja anteny i jej otoczenie. Typowe parametry podawane w arkuszach danych dotyczą środowiska w postaci wolnej przestrzeni bez zakłóceń z otoczenia. W rzeczywistych zastosowaniach szczytowy zysk energetyczny będzie zmniejszony o 1-2 decybele w stosunku do izotropowego (dBi), ponieważ charakterystyka promieniowania zmieni się ze względu na otaczające komponenty.

Straty odbiciowe (S11) i napięciowy współczynnik fali stojącej (VSWR) to powiązane miary ilości energii odbitej od anteny z powrotem do obwodu o częstotliwości radiowej (RF), przy czym mniejsze wartości są korzystniejsze (ilustracja 4). Wartości S11 ≤ -6dB lub VSWR ≤ 3 są często uważane za minimalne dopuszczalne poziomy parametrów działania. Jeśli S11 = 0dB, to cała moc jest odbijana, a żadna nie jest wypromieniowywana. Albo, jeśli S11 = -10dB, to gdy do anteny dostarczana jest moc 3dB, moc odbita wynosi -7dB. Antena wykorzystuje pozostałą część mocy.

Ilustracja 4: Straty odbiciowe anteny o wysokiej sprawności (po prawej) wynoszą około -14dB przy częstotliwości 915MHz, natomiast straty odbiciowe anteny o niższej sprawności i bardziej płaskiej krzywej sprawności wynoszą około -10dB przy częstotliwości 915MHz. (Źródło ilustracji: Molex)

Napięciowy współczynnik fali stojącej (VSWR) jest funkcją współczynnika odbicia. Podobnie jak w przypadku strat odbiciowych, im niższy napięciowy współczynnik fali stojącej, tym lepsza antena. Minimalna wartość napięciowego współczynnika fali stojącej wynosi 1,0 - wtedy żadna moc nie ulega odbiciu od anteny. W celu zminimalizowania wartości S11 i VSWR można zastosować dopasowanie impedancji. Dopasowanie impedancji polega na modyfikacji linii przesyłowej między anteną a obwodem o częstotliwości radiowej (RF) w celu poprawy maksymalnego przesyłu energii. Niedopasowanie impedancji powoduje, że część mocy o częstotliwościach radiowych (RF) nie jest przyjmowana przez antenę. Dokładne dopasowanie impedancji linii przesyłowej i impedancji anteny powoduje, że antena odbiera całą moc częstotliwości radiowych (RF).

Niektóre anteny mają impedancję 50Ω i nie wymagają sieci dopasowującej. Większość anten wymaga zastosowania sieci dopasowującej impedancji w linii przesyłowej w celu optymalizacji ich parametrów działania. Sieci dopasowujące są zwykle wymagane w przypadku anten obsługujących wiele pasm częstotliwości. W razie potrzeby sieć dopasowująca może składać się z różnych kombinacji kondensatorów, cewek i rezystorów.