Koncová zařízení LPWAN vyžadují miniaturní antény s vysokým výkonem, ale v pásmech 868 a 915 MHz se vyskytují problémy se zemní rovinou. Řešením jsou další obvody, zvýšení integrace nebo přesnější ladění frekvence. To vše ale prodlužuje čas vývoje a zvyšuje náklady. Koncová zařízení LPWAN jsou často napájena bateriemi, a proto vyžadují maximální energetickou účinnost. Výběr a integrace antény je kritickou částí efektivního návrhu celého zařízení. Špatný návrh antény může snížit životnost baterie. Tento článek popisuje základní model antény a její klíčové vlastnosti a představí antény od Molexu, které jsou vhodné pro sítě LPWAN.

Výkon přenostové linky neboli Link Budget

Link Budget je součet všech energetických zisků a ztrát, kterým je ovlivněn procházející signál od vysílače přes komunikační médium, jako je rádiová vlna, kabel, vlnovod nebo optické vlákno, až k přijímači. Rovnice začíná přenášeným výkonem v decibelmetrech (dBm), přidávají se případné zisky v decibelech (dB), odečítají se ztráty rovněž v dB až se dostaneme k přijímanému výkonu v dBm. V praktickém provedení existuje mnoho částí přenosové linky, které generují zisky či ztráty.

Detailní pohled na Link Budget

Účinnost antény, zisk a vyzařovací diagram jsou tři důležité aspekty, které ovlivňují výkon antény, a často se měří ve speciální komoře (obrázek 1). Další faktory, které mohou ovlivnit Link Budget je činitel odrazu (parametr S11) a poměr stojatých vln (VSWR).

Obrázek 1: Účinnost antény, zisk a vyzařovací diagram se měří ve speciální komoře. (DUT na obrázku odkazuje na testované zařízení) (Zdroj obrázku: Molex)

Účinnost antény určuje vyzařování antény. Často se používá průměrná účinnost, ale účinnost není jen číslo. Je to křivka, která může být více či méně plochá, v závislosti na konkrétní anténě (obrázek 2). Anténa s plošší křivkou účinnosti bude mít často nižší maximální účinnost než anténa s proměnlivou křivkou.

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 na frekvenci 915 MHz. (Zdroj obrázku: Molex)

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

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

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

Konstrukce antény a okolní prostředí výrazně ovlivňují vyzařovací diagram. Diagramy v datovém listu jsou měřeny v prostředí bez okolního rušení. Ve skutečnosti bude špičkový zisk snížen o 1 až 2 decibely (dBi), protože vyzařovací diagram se změní v důsledku okolních komponent. Činitel odrazu (S11) a poměr stojatých vln (VSWR) závisí na množství energie odražené od antény zpět do RF obvodu. Čím menší hodnota tím lepe (obrázek 4).

S11 ≤ -6dB nebo VSWR ≤ 3 jsou často považovány za minimální přijatelné úrovně. Pokud S11 = 0 dB, pak se veškerý výkon odrazí a nevyzáří se žádný. Pokud S11 = -10 dB, a když je do antény dodáván výkon 3 dB, je -7 dB odražený výkon. Anténa spotřebuje zbytek energie.

Obrázek 4: Činitel odrazu vysokoúčinné antény (vpravo) je asi -14 dB na 915 MHz, zatímco činitel odrazu pro anténu s nižší účinností ( s plošší křivkou účinnosti) je asi -10 dB na 915 MHz. (Zdroj obrázku: Molex)

Stejně jako u činitele odrazu, tak čím je VSWR menší, tím lépe. Minimální hodnota VSWR je 1,0, kdy se od antény neodráží žádný výkon. Impedanční přizpůsobení slouží ke snížení hodnoty činitele odrazu S11 a poměru stojatých vln VSWR.

Impedanční přizpůsobení znamená úpravu přenosového vedení mezi anténou a RF obvodem pro dosažení maximálního přenosu energie.  Nesoulad impedance má za následek, že část RF energie není přijímána anténou. Přesná shoda impedancí přenosového vedení a impedancí antény znamená, že veškerý RF výkon je přijímán anténou. Většina antén vyžaduje impedanční přizpůsobení v přenosovém vedení pro optimalizaci výkonu antény. Impedanční přizpůsobení jsou obecně vyžadovány anténami, které pokrývají více frekvenčních pásů. Přizpůsobovací obvod se obvykle skládá z kombinací kondenzátorů, induktorů a rezistorů.

Vylepšení výkonu antény

Jednoduchá základní anténa se skládá z vodiče dané délky a pro zvýšení výkonu antény se přidávají další prvky. Jedním příkladem je anténní technologie zvaná MobliquA od společnosti Molex, která dokáže zvětšit šířku pásma (obrázek 5).

Technologie MobliquA je navržena tak, aby vylepšila rozsah frekvencí, ve kterých je přijatelný činitel odrazu. Toto pásmo se nazývá 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 navržená pro 868 MHz a 915 MHz využívající technologii MobliquA může mít až o 75 % menší velikost než standardní konstrukce. Navíc eliminuje potřebu drahých frekvenčních obvodů, které řeší problémy se zemní rovinou.

Obrázek 5: Technologie MobliquA je navržena tak, aby zlepšila impedanční šířku pásma a poskytla vysoký stupeň odolnosti vůči kovovým předmětům blízko prostoru antény. (Zdroj obrázku: Molex)

Technologie MobliquA umožňuje použití RF oddělených nebo uzemněných částí, jako je pouzdro, které je spojeno se zemí. Poskytuje dobrou odolnost vůči kovovým částí, které jsou umístěny ve vyzařovacím prostoru antény. Jedinečná technika napájení společně s přímým uzemněním prvků antény poskytují zvýšenou ochranu před elektrostatickým výbojem (ESD).

Integrace antény

Všechny elektrické vlastnosti uvedené výše jsou důležitými aspekty pro integraci antény. Je zde také otázka mechanického připojení antény do systému. Možností je několik. Některé antény se integrují přímo pájením a jiné obsahují koaxiální kabel s konektorem.

Flexibilní ISM anténa s koaxiálním kabelem a konektorem

Pro aplikace, které potřebují dvoupásmovou ISM anténu 868/915 MHz, je ideální volbou model 2111400100 od společnosti Molex (obrázek 6). Tato anténa měří 38,0 x 10,0 x 0,1 mm a je vyrobena z pružného polymerového materiálu. Součástí je 100 mm dlouhý mikrokoaxiální kabel s vnějším průměrem 1,13 mm ukončený konektorem U.FL, který je kompatibilní s konektorem MHF.

Anténa je vybavena technologií „peel-and-stick“. To znamená, že se sloupne ochranná folie a anténa se jednoduše přichytí k jakémukoli nekovovému povrchu. RF výkon je 2 W a je vhodná do provozních teplot -40 až +85 °C. Ostatní antény v této řadě mají možnosti délky kabelu 50, 150, 200, 250 a 300 mm a lze si vyrobit vlastní délku, která vyhovuje konkrétní aplikaci.

Obrázek 6: Tato dvoupásmová ISM anténa je flexibilní a je namontována v systému pomocí technologie peel-and-stick. (Zdroj obrázku: Molex)

Klíčové vlastnosti:

• 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
• Činitel odrazu (S11): < -5 dB

Vysoce účinná keramická ISM anténa připájená k desce plošných spojů

V případě potřeby vyšší účinnosti lze použít keramickou anténu 2081420001, která je speciálně navržena pro aplikace ISM (obrázek 7). Lze ji použít ve dvou různých frekvenčních pásmech, 868-870 MHz a 902-928 MHz. Je určena pro provoz v teplotním rozsahu od -40 do +125 °C a její velikost je 9,0 x 3,0 x 0,63 mm.

Obrázek 7: S různými přizpůsobovacími obvody ji lze použít ve dvou frekvenčních pásmech; 868-870 MHz a 902-928 MHz. (Zdroj obrázku: Molex)

Klíčové vlastnosti:

• 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
• Činitel odrazu (S11): < -10 při 868 MHz, < -5 při 902 MHz

Závěr

Integrace antény do aplikací LPWAN s protokoly LoRa, Neul, SigFox, Zigbee a Z-Wave IoT je důležitým a komplexním úkolem. Optimalizace Link Budgetu je nezbytným krokem pro dosažení dobrého bezdrátového výkonu a dlouhé životnosti baterie. Tento proces zahrnuje kompromisy v oblasti elektrických vlastností jednotlivých komponent a vývoj obvodu pro přizpůsobení impedance. Proces výběru antény musí také vzít v úvahu provozní prostředí, mechanické provedení antény a v neposlední řadě způsob připojení antény k RF obvodu (konektor či přímé pájení).

Článek vyšel v originále na webu DigiKey.com, autorem je Jeff Shepard.