Dobór i stosowanie anten w urządzeniach Internetu rzeczy (IoT)

Antena pełni kluczową rolę jako interfejs pomiędzy urządzeniem a siecią bezprzewodową, stanowiąc istotny element w projektowaniu urządzeń Internetu rzeczy (IoT). Przekształca ona energię elektryczną w elektromagnetyczną falę radiową (RF) w nadajniku i przekształca przychodzący sygnał o częstotliwości radiowej w energię elektryczną w odbiorniku. Projektanci mogą zoptymalizować parametry działania w danym zastosowaniu, wybierając antenę spełniającą kluczowe parametry projektowe. Jednak różnorodność dostępnych opcji i rozważań może prowadzić do opóźnień i kosztownych cykli projektowych.

Niniejszy artykuł podsumowuje rolę anten w bezprzewodowych urządzeniach Internetu rzeczy (IoT) i krótko opisuje istotne kryteria projektowe wpływające na ich dobór. Następnie artykuł wykorzystuje przykładowe anteny firmy Amphenol, aby zilustrować odpowiedni dobór do czujnika Bluetooth Low Energy (LE) lub Wi-Fi, trackera zasobów IoT z możliwością pozycjonowania satelitarnego (GNSS), punktu dostępowego (AP) Wi-Fi i urządzenia IoT dalekiego zasięgu (LoRa).

Interpretacja arkusza danych

Ostateczne parametry działania anteny zależą od decyzji projektowych, takich jak pozycja montażowa i konstrukcja układów dopasowania impedancji. Dobra implementacja wymaga dokładnego zapoznania się z arkuszem danych anteny. Kluczowe parametry, które należy wziąć pod uwagę, obejmują:

• Charakterystykę promieniowania: graficznie określa ona sposób, w jaki antena promieniuje (lub pochłania) energię radiową w przestrzeni 3D (ilustracja 1).
• Maksymalna moc przenoszona: dobre przenoszenie mocy między anteną a odbiornikiem występuje, gdy impedancja linii przesyłowej (Z0) jest dopasowana do impedancji anteny (Za). Słabe dopasowanie impedancji zwiększa straty odbiciowe (RL). Napięciowy współczynnik fali stojącej (VSWR) określa dopasowanie impedancji między linią przesyłową a anteną (Tabela 1). Wysokie wartości napięciowego współczynnika fali stojącej (VSWR) skutkują wysokimi stratami mocy. Napięciowy współczynnik fali stojącej (VSWR) poniżej 2 jest ogólnie akceptowalny dla produktów IoT.
• Odpowiedź częstotliwościowa: straty odbiciowe (RL) zależą od częstotliwości radiowej. Projektanci powinni sprawdzić w arkuszu danych informacje dotyczące odpowiedzi częstotliwościowej anteny, aby mieć pewność, że straty odbiciowe są minimalne przy planowanej częstotliwości roboczej (ilustracja 2).
• Kierunkowość: jest miarą kierunkowej natury charakterystyki promieniowania anteny. Maksymalną kierunkowość definiuje się jako Dmax.
• Sprawność (η): stosunek całkowitej mocy wypromieniowanej (TRP, lub Prad) do mocy na wejściu (Pin) jest obliczany ze wzoru η = (Prad/Pin) * 100%.
• Zysk energetyczny anteny: opisuje ilość mocy przesyłanej w kierunku szczytowego promieniowania. Zazwyczaj jest podawany w odniesieniu do anteny izotropowej z oznaczeniem dBi. Jest on obliczany na podstawie wzoru Gainmax = η * Dmax.

Ilustracja 1: charakterystyka promieniowania graficznie przedstawia, w jaki sposób antena emituje lub pochłania energię radiową w przestrzeni trójwymiarowej. Arkusze danych zazwyczaj pokazują maksymalny zasięg w płaszczyznach XY i YZ, gdy antena jest zamontowana zgodnie z przeznaczeniem. (Źródło ilustracji: Amphenol)VSWRStraty odbiciowe (dB)% straty mocy/napięcia1--1,25-19,11,2/11,12-9,511,1/33,32,5-7,418,2/42,93,5-5,130,9/55,55-3,544,7/66,610-1,767,6/81,820-0,8781,9/90,5

Tabela 1: napięciowy współczynnik fali stojącej (VSWR) określa dopasowanie impedancji między linią przesyłową a anteną. Napięciowy współczynnik fali stojącej (VSWR) poniżej 2 jest ogólnie akceptowalny dla produktów IoT. (Źródło tabeli: Steven Keeping)

Ilustracja 2: napięciowy współczynnik fali stojącej (VSWR) i straty odbiciowe (RL) zależą od częstotliwości. Straty odbiciowe (RL) powinny być minimalne przy docelowej częstotliwości roboczej. (Źródło ilustracji: Amphenol)

Podwyższenie parametrów działania

Antena o słabych parametrach działania ogranicza ilość mocy elektrycznej przekształcanej w energię promieniowaną w nadajniku i ilość energii pozyskiwanej z sygnałów o częstotliwościach radiowych (RF) w odbiorniku. Słabe parametry działania po obydwu stronach zmniejszają zasięg łącza bezprzewodowego.

Podstawowym czynnikiem wpływającym na parametry działania anteny jest impedancja. Znaczne niedopasowanie między impedancją anteny (która jest związana z napięciem i prądem na jej wejściu) a impedancją źródła napięciowego sterującego anteną skutkuje słabym przenoszeniem energii.

Dobrze zaprojektowany obwód dopasowania impedancji minimalizuje napięciowy współczynnik fali stojącej (VSWR), a co za tym idzie straty mocy dzięki dopasowaniu impedancji źródeł mocy nadajnika do impedancji anteny. Dla produktów Internetu rzeczy (IoT) niskiej mocy impedancja wynosi zazwyczaj 50Ω.

Pozycja anteny ma również ogromny wpływ na moc nadawania i czułość odbioru produktu końcowego. W przypadku anteny wewnętrznej, wytyczne projektowe zalecają umieszczenie jej w górnej części urządzenia IoT na krawędzi płytki drukowanej (PCB) i jak najdalej od innych komponentów, które mogłyby generować zakłócenia elektromagnetyczne (EMI) podczas pracy. Wyjątkiem są komponenty dopasowania impedancji, które z konieczności znajdują się bliżej anteny. Pola lutownicze płytki drukowanej oraz ścieżki, które łączą antenę z pozostałymi obwodami, powinny być jedynymi przewodami miedzianymi w wyznaczonym obszarze wolnej przestrzeni (ilustracja 3).

Ilustracja 3: antena montowana na płytce drukowanej powinna być umieszczona blisko jej krawędzi. Antena musi być również zainstalowana z dala od pozostałych elementów (z wyjątkiem tych, które są częścią obwodu dopasowania impedancji), zapewniając obszar wolnej przestrzeni. (Źródło ilustracji: Amphenol)

(Aby uzyskać więcej informacji na temat wytycznych dotyczących projektowania anten, zobacz „Sposób korzystania z wielopasmowych anten wbudowanych w celu oszczędzania miejsca, ograniczenia złożoności oraz obniżenia kosztów projektów Internetu rzeczy (IoT)”)

Typ anten

Określenie specyfikacji anteny stanowi krytyczny element procesu projektowania urządzeń Internetu rzeczy (IoT). Antena powinna być zoptymalizowana pod kątem docelowego pasma radiowego (RF) interfejsu bezprzewodowego. Na przykład wąskopasmowy Internet rzeczy (NB-IoT) dla wielu pasm od 450MHz do 2200MHz, technologia dalekiego zasięgu (LoRa) dla zakresu 902 do 928MHz w Ameryce Północnej, Wi-Fi dla 2,4GHz i 5GHz oraz Bluetooth LE dla 2,4GHz.

Anteny wykorzystują różne koncepcje elektryczne. Przykładem mogą być anteny monopolowe, dipolowe, pętlowe, anteny typu odwrócone F (IFA) i planarne anteny typu odwrócone F (PIFA). Każda z nich pasuje do konkretnego zastosowania.

Istnieją również anteny jednostronne i różnicowe. Anteny typu jednostronnego są niesymetryczne, natomiast anteny różnicowe są symetryczne. Anteny jednostronne odbierają lub nadają sygnał odniesiony do ziemi, a charakterystyczna impedancja wejściowa wynosi zazwyczaj 50Ω. Ponieważ jednak wiele układów scalonych na częstotliwości radiowe (RF) posiada różnicowe porty RF, często konieczne jest zastosowanie układu transformującego, gdy używamy anteny jednostronnej. Taki układ symetryzatora przekształca sygnał z symetrycznego na niesymetryczny.

Antena różnicowa nadaje za pomocą dwóch komplementarnych sygnałów, wykorzystujących oddzielną żyłę. Ponieważ antena jest symetryczna, nie jest wymagany symetryzator, gdy antena jest używana z układami scalonymi na częstotliwości radiowe (RF) z portami różnicowymi RF.

Wreszcie, anteny występują w kilku formach, takich jak płytka drukowana, chip lub płytka, zewnętrzny bicz i przewód. Ilustracja 4 przedstawia kilka przykładowych zastosowań.

Ilustracja 4: różne anteny dostępne do różnorodnych zastosowań w Internecie rzeczy (IoT). (Źródło ilustracji: Amphenol)

Dopasowanie anteny do zastosowania

Ostateczny dobór anteny zależy od jej zastosowania i rozmiaru produktu. Na przykład, jeśli przestrzeń w produkcie IoT jest ograniczona, antena na płytce drukowanej może być wbudowana bezpośrednio w jej obwód. Anteny te są doskonałym wyborem do zastosowań 2,4 GHz, takich jak Bluetooth LE lub czujniki Wi-Fi w urządzeniach domów inteligentnych, na przykład w oświetleniu, termostatach i systemach zabezpieczeń. Oferują one niezawodne parametry działania na częstotliwościach radiowych (RF) i niskoprofilową architekturę. Mimo to, anteny na płytce drukowanej są trudne do zaprojektowania. Alternatywnym rozwiązaniem jest zakup anteny na płytce drukowanej od sprzedawcy. Następnie można ją przymocować do płytki drukowanej za pomocą podłoży przylepnych.

Przykładem anteny na płytce drukowanej jest antena Amphenol ST0224-10-401-A do Wi-Fi mająca postać ścieżek na płytce drukowanej. Antena oferuje dookólną charakterystykę promieniowania w pasmach od 2,4 do 2,5GHz i od 5,15 do 5,85GHz. Antena ma wymiary 30 x 10 x 0,2mm i impedancję 50Ω. Jej straty odbiciowe (RL) wynoszą mniej niż -10dB dla obu pasm częstotliwości, a jej zysk szczytowy wynosi 2,1dB względem izotropowego (dBi) w paśmie 2,4GHz i 3,1dBi w paśmie 5GHz. Jej sprawność wynosi odpowiednio 77 i 71% (ilustracja 5).

Ilustracja 5: antena na płytce drukowanej ST0224-10-401-A do Wi-Fi zachowuje sprawność zarówno w paśmie 2,4GHz, jak i 5GHz. (Źródło ilustracji: Amphenol)

Inną opcją dla produktów IoT o ograniczonej przestrzeni jest antena czipowa. Ten kompaktowy komponent może być bezpośrednio montowany na płytce drukowanej przez urządzenia zautomatyzowane. Antena ta jest odpowiednia do bezprzewodowych zastosowań Internetu rzeczy (IoT) opartych na technologii Bluetooth LE lub Wi-Fi. Kluczowe zalety anteny czipowej to oszczędność miejsca, niższe koszty produkcji i uproszczony proces projektowania.

Jak opisano powyżej, na parametry działania anteny czipowej mają wpływ takie czynniki, jak układ płytki drukowanej i otaczające ją komponenty, jednak postęp w technologii anten zaowocował urządzeniami o wysokiej sprawności. Anteny czipowe są odpowiednie do różnych zastosowań, od smartfonów i tabletów po systemy domów inteligentnych oraz czujniki przemysłowe.

Przykładem jest antena czipowa 2,4GHz ST0147-00-011-A firmy Amphenol, przeznaczona do montażu powierzchniowego na płytce drukowanej. Antena oferuje dookólną charakterystykę promieniowania w paśmie od 2,4 do 2,5GHz (Ilustracja 6). Antena ma wymiary 3,05 x 1,6 x 0,55mm i impedancję 50Ω. Jej straty odbiciowe (RL) są mniejsze od -7dB, zysk szczytowy wynosi 3,7dBi, a średnia sprawność 80%.

Ilustracja 6: antena czipowa do montażu powierzchniowego ST0147-00-011-A jest kompaktowa i ma dookólną charakterystykę promieniowania w płaszczyźnie XY. (Źródło ilustracji: Amphenol)

Anteny płytkowe są kompaktowe i mogą być bezpośrednio przymocowane do płytki drukowanej, w czym są podobne do anten na płytach drukowanych. Typowym zastosowaniem jest antena do śledzenia aktywów lub innych urządzeń z globalnym systemem nawigacji satelitarnej (GNSS). Anteny płytkowe do globalnego systemu nawigacji satelitarnej (GNSS) składają się z płytki umieszczonej na dielektrycznym podłożu. Wysoka sprawność działania pozwala antenie odbierać słabe sygnały GNSS z wielu satelitów.

Przykładem jest pasywna antena płytkowa GNSS ST0543-00-N04-U firmy Amphenol do pracy w pasmach częstotliwości 1,575 i 1,602GHz. Antena ma wymiary 18 x 18 x 4mm i impedancję 50Ω. Jej straty odbiciowe (RL) są mniejsze od -10dB dla obu pasm częstotliwości, a zysk szczytowy wynosi -0,5dBi w paśmie 1,575GHz i 1,0dBi w paśmie 1,602GHz. Jej sprawność wynosi odpowiednio 80 i 82%.

Zewnętrzne anteny biczowe, na przykład anteny punktów dostępowych (AP) Wi-Fi, są montowane na zewnątrz urządzeń Internetu rzeczy (IoT) w celu optymalizacji funkcji radiowej. Zewnętrzna antena biczowa zwiększa zasięg sygnału, poprawia jego jakość i pokonuje przeszkody lub zakłócenia. Anteny takie są przydatne w środowiskach o słabym lub zakłóconym sygnale, jak w przypadku tłumienia przez ściany, sufity i meble w domu. Dostępne są bicze proste i obrotowe, ze standardowymi złączami interfejsu częstotliwości radiowych (RF), takimi jak SMA, RP-SMA i N-Type.

Przykładem jest antena biczowa SMA ST0226-30-002-A firmy Amphenol na częstotliwości radiowe (RF) 2,4 i 5GHz. Ta antena jest dobrym rozwiązaniem dla punktów dostępowych Wi-Fi i dekoderów STB. Oferuje ona dookólną charakterystykę promieniowania w pasmach od 2,4 do 2,5GHz oraz od 5,15 do 5,85GHz. Antena ma wymiary 88 x 7,9mm średnicy oraz impedancję 50Ω. Jej straty odbiciowe (RL) są mniejsze od -10 decybeli (dB) dla obu pasm częstotliwości, a zysk szczytowy wynosi 3,0dBi w paśmie 2,4GHz i 3,4dBi w paśmie 5GHz. Jej sprawność wynosi odpowiednio 86 i 75%. Antena jest dostępna ze złączem SMA lub RP-SMA (ilustracja 7).

Ilustracja 7: zewnętrzna antena biczowa ST0226-30-002-A do punktów dostępowych Wi-Fi jest wyposażona w złącze SMA lub RP-SMA. (Źródło ilustracji: Amphenol)

Helikalne anteny przewodowe są niedrogą i prostą opcją dla zastosowań poniżej gigaherca, takich jak urządzenia Internetu rzeczy (IoT) w technologii dalekiego zasięgu, działające w paśmie częstotliwości 868MHz. Anteny te są zazwyczaj lutowane bezpośrednio do płytki drukowanej i oferują dobre parametry działania. Niektóre wady to rozmiary, szczególnie podczas pracy przy niskich częstotliwościach roboczych, oraz stosunkowo niska sprawność w porównaniu z niektórymi alternatywnymi antenami.

Przykładem jest antena 862MHz ST0686-10-N01-U (ilustracja 8). Ta helikalna antena przewodowa działa w paśmie częstotliwości od 862 do 874MHz i ma impedancję 50Ω. Antena umożliwia montaż przewlekany o maksymalnej wysokości 38,8mm. Charakteryzuje się stratami odbiciowymi (RL) poniżej -9,5dB, zyskiem szczytowym 2,5dBi oraz średnią sprawnością 58%.

Ilustracja 8: helikalna antena przewodowa ST0686-10-N01-U jest dobrym rozwiązaniem do zastosowań LoRa (IoT). (Źródło ilustracji: Amphenol)

Podsumowanie

Radiowe parametry działania bezprzewodowych urządzeń Internetu rzeczy (IoT) zależą od doboru anteny, dlatego projektanci muszą starannie wybierać spośród szerokiej gamy konstrukcji anten od dostawców takich jak Amphenol, aby jak najlepiej dopasować je do danego zastosowania. Arkusze danych mają kluczowe znaczenie podczas doboru, ale to przestrzeganie ustalonych wytycznych projektowych zapewnia najlepsze parametry działania urządzeń bezprzewodowych.

Źródło: Dobór i stosowanie anten w urządzeniach Internetu rzeczy (IoT)

Kontakt w Polsce: poland.support@digikey.pl

Autor: Rolf Horn

Rolf Horn, Applications Engineer at DigiKey, has been in the European Technical Support group since 2014 with primary responsibility for answering any Development and Engineering related questions from final customers in EMEA, as well as writing and proof-reading German articles and blogs on DK’s TechForum and maker.io platforms. Prior to DigiKey, he worked at several manufacturers in the semiconductor area with focus on embedded FPGA, Microcontroller and Processor systems for Industrial and Automotive Applications. Rolf holds a degree in electrical and electronics engineering from the university of applied sciences in Munich, Bavaria and started his professional career at a local Electronics Products Distributor as System-Solutions Architect to share his steadily growing knowledge and expertise as Trusted Advisor.

Hobbies: spending time with family + friends, travelling in our VW-California transporter and motorbiking on a 1988 BMW GS 100.

Zapraszamy na TEK.day Wrocław, 6 marca 2025. Zapisz się tutaj!