Obecná poučka pro návrh antény říká, že anténa by měla mít délku rovnou polovině vlnové délky signálu, který má přijímat. Pro dipólovou anténu to znamená 6,25 cm pro frekvenční pásmo 2,4 GHz.
Pro IoT zařízení tato poučka vyvolává dvě pochybení. Za prvé, prostor v IoT zařízeních bývá velmi omezen a finální zařízení zdaleka nedosahuje ani takových rozměru jak je vypočítaná délka antény. A aby anténa přesahovala v takovém měřítku rozměry výrobku není designově akceptovatelné a je to nepraktické. Za druhé, produkty IoT obvykle komunikují přes více různých bezdrátových technologií, které mají rozdílnou nosnou frekvenci (Bluetooth, Wi-Fi, GPS nebo mobilní síť). Proto je nutné umístit více antén, z nichž každá by měla vlastní impedanční přizpůsobovací obvod a jinou délku. To vše by zvýšilo extrémně náklady, bylo by potřeba daleko více prostoru a finální zařízení by bylo rozměrové veliké.
Vestavěné antény jsou řešením. Tyto monolitické antény se vyznačují kompaktními rozměry a dokážou si poradit s několika různými frekvencemi a zároveň nabízejí dostatečný výkon. Je nutné dodat, že výkon vícepásmové vestavěné antény zaostává za jednopásmovou páskovou anténou. V případě použití vícepásmové antény je nutné aby konstruktéři striktně dodržely doporučený návrh PCB, jelikož každá malá změna má dramatický vliv na výkon antény.
Integrovaná anténa tvoří pouze jednu část „anténního systému“. Aby bylo možné vytvořit účinný anténní systém, musí být anténa pečlivě propojena s vhodnou zemnící plochou desky a impedančním přizpůsobovacím obvodem. Návrh každé části anténního systému významně ovlivňuje celkovou účinnost anténního systému a návrh impedančního přizpůsobovacího obvodu není jednoduchý zvláště u vícepásmové vestavěné antény.
Tento článek poskytuje stručný úvod do problematiky antén. Poté si představíme vícepásmové integrované antény, jejich výběr a jak je úspěšně integrovat do finálního zařízení tak, aby byly dokonale připojeny se zemní plochou a impedančním přizpůsobovacím obvodem.
Základy anténního systému
Anténa přeměňuje napětí a proud za účelem vytvoření vysílaného radiofrekvenčního (RF) signálu nebo naopak převádí příchozí RF signál na napětí a proud, který je pak směřován do přijímače k dalšímu zpracování. Optimalizace účinnosti antény znamená, že se převádí co největší část výkonu vysílače na vyzařovanou rádiovou energii a získává co nejvíce energie z příchozího signálu pro napájení přijímače. Efektivita, s jakou tyto role anténní systém plní, do značné míry určuje RF dosah a propustnost.
Účinnost antény (obvykle měřená v decibelech (dB)) je určena několika faktory, ale klíčovým faktorem je impedance. Významný nesoulad mezi impedancí antény (která souvisí s napětím a proudem na jejím vstupu) a impedancí zdroje napětí pro napájení antény má za následek špatnou účinnost antény. Klíčem ke zvýšení účinnosti je vyrovnání těchto dvou impedancí.
Jakýkoli výkon odražený anténou na přenosové lince kvůli nesouladu impedance vytváří stojatou napěťovou vlnu .Běžným měřítkem toho, jak dobře je impedance vyrovnána, je poměr stojatých vln napětí (VSWR). Hodnota VSWR 1 znamená, že nedochází k žádné ztrátě (nesouladu impedance), zatímco vyšší čísla znamenají rostoucí ztráty. Například VSWR 3,0 znamená, že přibližně 75 procent energie je dodáváno do antény. VSWR 6 nebo více ukazuje na nízkou účinnost a návrh by měl být revidován (tabulka 1).
Tabulka 1: Vysoká hodnota VSWR způsobuje větší ztráty. Pokud VSWR překročí 6:1, měl by projektant zvážit revizi návrhu. (Zdroj obrázku: Steven Keeping)
Další komplikací je, že impedance antény se mění s frekvencí. To není problém, když je systém naladěn na jednu frekvenci, ale produkty IoT často využívají různé radiové frekvence. To je nezbytné pro připojení více rozhraní, jako je Bluetooth LE (2,4 GHz), Wi-Fi (2,4, 5 a stále častěji 6 GHz), LTE-M/NB-IoT celulární (fungující na několika pásmech od 700 až po 2200 MHz a GPS (1227 a 1575 MHz).
Jednou z možností pro vícepásmové produkty je použití samostatné antény s přizpůsobenou impedancí pro každou frekvenci. To ale zvyšuje složitost, velikost a náklady výsledného produktu. Alternativou je použití jediné vestavěné antény a obvod pro zajištění dobrého impedančního přizpůsobení pro pokrytí celého rozsahu použitých frekvencí.
Výběr a umístění antény
Existuje několik výrobců, kteří nabízejí integrované antény. Se znalostí zamýšleného provozního frekvenčního pásma koncového produktu je poměrně jednoduché vybrat vhodnou anténu z katalogu. Ignion (dříve Fractus Antennas) nabízí řadu komponent vhodných pro produkty IoT, například antény ALL MXTEND NN02-220 a antény TRIO MXTEND NN03-310.
NN02-220 je vícepásmová anténa vhodná pro mobilní 2G, 3G, 4G a 5G plus mobilní aplikace NB-IoT/LTE-M a její rozměry jsou 24 x 12 x 2 mm. Při vhodném návrhu systému může anténa dosáhnout účinnosti blížící se k 70 % a VSWR menším než 3:1. Vyznačuje se všesměrovým vyzařovacím diagramem, který poskytuje stejný přenos a příjem energie ve všech směrech.
NN03-310 pokrývá stejná frekvenční pásma jako NN02-220, ale přidává k tomu GNSS, Bluetooth LE, Wi-Fi 6E a UWB. Její rozměry jsou 30 x 3 x 1 mm a její účinnost se blížící k 65 %, VSWR menší než 3:1 a také její vyzařovacím diagramem je všesměrový (obrázek 1).
Obrázek 1: Ignion NN03-310 je vestavěná anténa pro mobilní sítě, GNSS, RF krátkého dosahu, Wi-Fi a UWB. (Zdroj obrázku: Ignion)
Jakmile je integrovaná anténa vybrána, dalším krokem je návrh zemní plochy. Velikost zemní plochy má velký vliv na účinnost antény. Například při provozní frekvenci 900 MHz by zemní plocha 10 cm2 znamenala účinnost anténního systému 30%, zatímco zemní plocha 40 cm2 by zvýšila účinnost na 60 %. Proto je v rámci mechanické konstrukce konečného produktu dobré použít co největší desku s plošnými spoji a poté vyhradit jednu kompletní vrstvu desky pro zemní plochu. S rostoucí frekvencí má velikost základní desky menší dopad na účinnost antény. V pásmu několik GHz je vliv již zanedbatelný.
Umístění antény na desce má také velký vliv na vysílací výkon a citlivost příjmu. Pokyny výrobce doporučují umístění v rohu zařízení IoT. Důležité je také umístit čipovou anténu co nejdále od ostatních aktivních komponent, které by mohly při provozu generovat elektromagnetické rušení (EMI). Pro úrovně vysílacího výkonu typické pro mobilní zařízení je minimální vzdálenost 20 mm od ostatních komponent dostatečná. Zemní plocha by také měla být mimo tuto oblast.
Jedinými měděnými vodiči v této oblasti by měly být stopy spojující čipovou anténu se zbytkem obvodu. Je také dobré udržovat anténu mimo šrouby krytu, držáky a jiné kovové části. Například na vývojové desce Nordic Semiconductor nRF6943 je anténa umístěna na jedné straně desky s mezerou mezi ní a ostatními součástmi a v určité vzdálenosti od montážního šroubu (obrázek 2).
Obrázek 2: Vývojová deska nRF6943 znázorňující polohu vícepásmové antény v horní části se širokým volným prostorem (částečně pokrytým bílým štítkem) mezi anténou a ostatními součástmi. (Zdroj obrázku: Nordic Semiconductor)
nRF6943 je navržena tak, aby pomáhala při vývoji zařízení IoT využívajících bezdrátové sítě krátkého dosahu (Bluetooth LE), LTE-M/NB-IoT a GPS.
Návrh impedančního přizpůsobovacího obvodu
Nejdůležitější částí návrhu anténního systému je impedanční přizpůsobovací obvod, který je umístěn mezi čipovou anténou a transceiverem IoT zařízení. Účelem přizpůsobovacího obvodu je omezit ztráty při vysílání a příjmu přizpůsobením impedance napájecích zdrojů vysílače s impedancí antény (typicky 50 Ω pro produkt IoT s nízkým výkonem).
Technickým úkolem je nejen navrhnout vhodnou topologii obvodu, ale také vybrat vhodné hodnoty induktoru a kondenzátoru pro „transformaci“ impedance zdroje napětí tak, aby odpovídala impedanci antény. Použití součástek s vysokou hodnotou faktoru Q a velmi malou tolerancí zvyšuje výkon. Pro jedno pracovní frekvenční pásmo, například 2,4 GHz, je návrh relativně jasný, ale pro IoT produkt pracující ve více frekvenčních pásmech se přizpůsobovací obvod stává mnohem složitějším.
Dodavatelé antén jako je Ignion přichází s pomocí v podobě software, který práci návrháře značně usnadňuje. Software slouží nejen k návrhu přizpůsobovacího obvodu, ale lze pomocí něj také určit přesné hodnoty součástek potřebné k přiblížení se k parametru S11 (koeficient odrazu).
Pokud je však deska a tedy i zemnicí plocha malá, vícepásmový anténní systém s jediným přizpůsobovacím obvodem nemusí dobře fungovat. Jedním z řešení je začlenění více než jednoho přizpůsobovacího obvodu, přičemž každý je přístupný podle potřeby prostřednictvím přepínače řízeného MCU. Tak jako u Nordic nRF6943. Výhodou tohoto provedení je optimální výkon ve všech frekvenčních rozsazích. Nevýhodou je, že vzrostou nepatrně náklady a složitost se ve srovnání s jedním přizpůsobovacím obvodem. Každý přizpůsobovací obvod transformuje impedanci pouze pro jedno frekvenční pásmo a sestává pouze z několika komponent.
Obrázek 3 ukazuje anténu NN03-310 použitou v referenčním návrhu na malé desce používající tři přizpůsobovací obvody (nebo přizpůsobovací sítě (MN-matching networks), jak je nazývá Ignion). Sekce MN „a“, „b“, „c“ tvoří přizpůsobovací obvod pro provoz v pásmech 824 – 960 MHz a 1710 – 1990 MHz. Sekce „d“ a „e“ vyhovují frekvencím GNSS 1561 – 1606 MHz. Sekce „f“ je určena pro pásmo 2,4 GHz (Bluetooth LE nebo Wi-Fi). Obrázek 4 ukazuje návrh a hodnoty komponent pro přizpůsobovací obvod (část a, b a c) a obrázek 5 ukazuje simulovaný výkon kompletního návrhu.
Obrázek 3: Referenční návrh využívající anténu NN03-310 ve vícepásmovém provedení ukazuje umístění jednotlivých přizpůsobovacích obvodů. (Zdroj obrázku: Ignion)
Obrázek 4: Přizpůsobovací obvod pro sekce a, b a c (mobilní síť) zobrazený na obrázku 3 s hodnotami součástek vypočtenými pomocí návrhového softwaru Ignion. (Zdroj obrázku: Ignion)
Obrázek 5: Simulované PSV a výsledky účinnosti pro referenční návrh znázorněný na obrázku 3, s použitím NN03-310 a hodnot součástek přizpůsobeného obvodu vypočítaných návrhovým softwarem Ignion. (Zdroj obrázku: Ignion)
Testování anténního systému
I když software poskytne dobrý odhad frekvenční odezvy a účinnosti anténního systému, musí být otestován skutečný prototyp, aby bylo zajištěno, že vykazuje nejen předpokládanou účinnost, ale že je výkon rozložen do všech směrů.
První test lze provést připojením mikrokoaxiálního kabelu 50 Ω k anténě uzemněného ve třech nebo čtyřech bodech na desce, a poté tento kabel připojit k síťovému analyzátoru. Tímto způsoben získáme účinnost, frekvenční odezvu a šířku pásma. Tato zkouška obvykle odhalí, zda je potřeba provést určité úpravy obvodu. Ignion usnadnil počáteční testování dodáním vývojové desky EB_NN02-220-1B-2R-1P pro anténu NN02-220. Vývojová deska obsahuje anténu, impedanční přizpůsobovací obvody a uzemněný 50 Ω mikrokoaxiální kabel (obrázek 6).
Obrázek 6: Vývojová deska EB_NN2-1B-2R-1P obsahuje uzemněný mikrokoaxiální kabel 50 Ω, který lze připojit k síťovému analyzátoru. (Zdroj obrázku: Ignion)
Vývojovou desku lze připojit do síťového analyzátoru, abychom se seznámili s frekvenční odezvou, kterou lze očekávat od podobného návrhu prototypu, než se přejde k testování produktu. Závěrečný test by měl být proveden v anechoické komoře. Tento finální test často odhalí slabiny v účinnosti a všesměrovém výkonu, které se během testování pomocí síťového analyzátoru neprojeví. Z výsledků lze vyčíst špatný výběr antény, musí se přepracovat zemní rovina anebo ladění odpovídajících přizpůsobovacích obvodů.
Závěr
Malé rozměry a vícefrekvenční provoz IoT zařízení činí z implementace antény nesnadný úkol. Samostatné antény a odpovídající obvody pro každou frekvenci může být obtížné přizpůsobit a zvyšuje se tak složitost a celkové náklady. Integrované antény nabízejí možnost ušetřit místo pomocí jediné antény pro mnoho frekvenčních pásem. Tím se ale ještě více zesložiťuje návrh zemní plochy a přizpůsobovací obvody. Naštěstí dodavatelé integrovaných antén nabízí osvědčené doporučení pro design a nástroje pro softwarové modelování, které celý návrh značně zjednoduší. I s touto pomocí nemusí být návrh anténního systému stoprocentní a tak nezbývá nic jiného, než celý systém podrobit důkladnému testování a následnému vylepšování a ladění.
Článek vyšel v originále na webu DigiKey.com, autorem je Steven Keeping.
