Anténa jakožto rozhraní mezi zařízením a bezdrátovou sítí je kritickou částí vývoje IoT zařízení. Anténa je prvek, který převádí elektrickou energii na elektromagnetickou radiofrekvenční (RF) vlnu ve vysílači a naopak převádí příchozí RF signál na elektrickou energii v přijímači. Výkon aplikace lze optimalizovat správným výběrem antény, která je schopna splnit klíčové technické parametry. V článku se dozvíme jakou roli představuje anténa v bezdrátovém IoT zařízení včetně kritických parametrů ovlivňující její výběr. Představíme si antény od Amphenolu pro Bluetooth Low Energy (LE) nebo Wi-Fi senzor, IoT asset tracker se schopností GNSS nebo LoRa IoT zařízení.
Jaké parametry antény najdeme v datovém listu?
Výsledný výkon antény závisí nejen na montážní poloze nebo návrhu obvodu pro přizpůsobení impedance. Dobrá implementace antény vyžaduje pečlivou kontrolu datového listu antény, ve kterém najdeme klíčové parametry:
- Vyzařovací diagram: Graficky definuje, jak anténa vyzařuje (nebo absorbuje) radiovou energii ve 3D prostoru (obrázek 1).
- Maximální přenos výkonu: K dobrému přenosu výkonu mezi anténou a přijímačem dochází, když je impedance přenosového vedení (Z0) přizpůsobena impedanci antény (Za). Špatné přizpůsobení impedance zvyšuje ztrátu odrazem (RL – Return Lost). Poměr stojatých vln napětí (VSWR) udává impedanční přizpůsobení mezi přenosovým vedením a anténou (tabulka 1). Vysoké hodnoty VSWR mají za následek vysoké ztráty výkonu. Hodnota VSWR nižší než 2 je pro produkt IoT obecně přijatelná.
- Frekvenční odezva: Ztráta odrazem (RL) závisí na rádiové frekvenci. Je nutné zkontrolovat frekvenční odezvu antény v datovém listu, že ztráta odrazem (RL) je minimální na zamýšlené provozní frekvenci (obrázek 2).
- Směrovost: Udává jaký směr má vyzařovací diagram antény. Maximální směrovost je definována jako Dmax .
- Účinnost (η): Poměr celkového vyzářeného výkonu (TRP, nebo Prad) k příkonu (Pin) se vypočítá podle vzorce η = (Prad / Pin) * 100 %.
- Zisk: Popisuje, kolik energie je přenášeno ve směru maximálního záření. Obvykle se odkazuje na izotropní anténu s označením dBi. Vypočítá se vzorcem Gainmax = η * D max.
Obrázek 1: Vyzařovací diagramy graficky znázorňují, jak anténa vyzařuje nebo absorbuje radiovou energii ve 3D prostoru. Technické listy typicky ukazují maximální rozsah v rovinách XY a YZ. (Zdroj obrázku: Amphenol)
Tabulka 1: VSWR udává impedanční shodu mezi přenosovým vedením a anténou. Hodnota VSWR nižší než 2 je pro IoT zařízení obecně přijatelná. (Zdroj tabulky: Steven Keeping)
Obrázek 2: VSWR a RL jsou závislé na frekvenci. Ztráta odrazem RL by měla být nejmenší při zamýšlené provozní frekvenci. (Zdroj obrázku: Amphenol)
Zvýšení výkonu
Anténa se špatným výkonem snižuje elektrickou energii, která se přemění na energii vyzařovanou ve vysílači a energii, která se získá z příchozího RF signálu v přijímači. Špatný výkon antény tak snižuje dosah bezdrátového spojení. Primárním faktorem ovlivňujícím výkon antény je její impedance. Významný nesoulad mezi impedancí antény (která souvisí s napětím a proudem na jejím vstupu) a impedancí zdroje napětí antény má za následek špatný přenos energie. Správně navržený impedanční přizpůsobovací obvod snižuje poměr stojatých vln VSWR a následné ztráty výkonu přizpůsobením impedance napájecího zdroje vysílače s impedancí antény. Impedance je typicky 50 Ω pro IoT zařízení s nízkou spotřebou.
Poloha antény také dramaticky ovlivňuje vysílací výkon a citlivost příjmu koncového produktu. U vnitřní antény se obecně doporučuje její umístění v horní části zařízení, na okraji desky a co nejdále od ostatních součástí, které by mohly během provozu generovat elektromagnetické rušení (EMI). To neplatí pro komponenty impedančního přizpůsobení, protože ty je nutné umístit co nejblíže antény. Podložky na desce a spoje spojující anténu se zbytkem obvodu by měly být jedinými měděnými vodiči v definované oblasti (obrázek 3).
Obrázek 3: Anténa by měla být umístěna blízko okraje desky. Anténa by také měla být umístěna mimo jiné součásti, které by za provozu mohlo generovat elektromagnetické záření. Kromě impedančního přizpůsobovacího obvodu. (Zdroj obrázku: Amphenol)
Další podrobnosti o pokynech pro návrh antény naleznete v článku Jak používat vícepásmové vestavěné antény k úspoře místa, složitosti a nákladů v návrzích IoT.
Typy antén
Specifikace antény je kritickou součástí procesu návrhu IoT zařízení. Anténa by měla být optimalizována pro RF pásmo cílového bezdrátového rozhraní, například NB-IoT pro 450 MHz až 2200 MHz, LoRa pro 902 až 928 MHz v Severní Americe, Wi-Fi pro 2,4 GHz a 5 GHz a Bluetooth LE pro 2,4 GHz. Antény jsou různého typu, a to monopólové, dipólové, smyčkové, invertované F antény (IFA) nebo planární invertované F antény (PIFA). Každý typ je vhodný pro jinou aplikaci.
Existují také single ended a diferenciální antény. Single ended typ je nevyvážený, zatímco diferenciální antény jsou vyvážené. Single ended antény přijímají nebo vysílají signál vztažený k zemi a charakteristická vstupní impedance je typicky 50 Ω.
Mnoho RF integrovaných obvodů má rozdílné RF porty, a tak je často vyžadována transformační síť (balun), pokud je použita single ended anténa. Tato balunová síť transformuje signál z vyváženého na nevyvážený. Diferenciální anténa vysílá dva komplementární signály, každý ve svém vlastním vodiči. Protože je anténa vyvážená, není potřeba žádný balun, pokud je anténa připojena k RF IC s diferenciálními RF porty. Antény jsou k dispozici v různých formách, a to deska plošných spojů, čip, patch, externí prutová anténa nebo drát (obrázek 4).
Obrázek 4: K dispozici jsou různé tvary antény, které vyhovují různým aplikacím IoT. (Zdroj obrázku: Amphenol)
Přizpůsobení antény aplikaci
Konečný výběr antény určuje aplikace a tvar zařízení. Pokud je například IoT zařízení prostorově omezené, lze anténu vytvarovat přímo do desky zařízení. Tyto antény jsou vynikající volbou pro 2,4 GHz aplikace jako jsou senzory Bluetooth LE nebo Wi-Fi v zařízeních chytré domácnosti čili v osvětlení, termostatech a bezpečnostních systémech. Nabízejí spolehlivý RF výkon v nízkoprofilové architektuře. Anténa navržená přímo v desce zařízení zesložiťuje ale celý design desky. Alternativou je anténa ve tvaru desky od komerčního prodejce.
Tato anténa může být připevněna k desce plošných spojů pomocí lepicí podložky. Příkladem takové deskové antény je Amphenol ST0224-10-401-A Wi-Fi PC board trace RF anténa. Anténa nabízí všesměrový vyzařovací diagram v pásmech 2,4 až 2,5 GHz a 5,15 až 5,85 GHz. Anténa má rozměry 30 x 10 x 0,2 mm a má impedanci 50 Ω. Ztráta odrazem RL je menší než -10 dB pro oba frekvenční rozsahy a její špičkový zisk je 2,1 dBi v pásmu 2,4 GHz a 3,1 dBi v pásmu 5 GHz. Její účinnost je 77, respektive 71 % (obrázek 5).
Obrázek 5: Desková anténa ST0224-10-401-A Wi-Fi je účinná v pásmech 2,4 i 5 GHz. (Zdroj obrázku: Amphenol)
Další možností pro IoT zařízení s omezeným prostorem je čipová anténa. Výhodou této antény je ten, že ji lze automaticky osazovat. Anténa vyhovuje bezdrátovým aplikacím založeným na Bluetooth LE nebo Wi-Fi. Klíčovými výhodami čipové antény jsou úspora místa, snížené výrobní náklady a zjednodušený proces návrhu. Výkon čipové antény je ovlivněn rozložením desky a okolními komponenty. Čipové antény jsou vhodné do chytrých telefonů a tabletů až po systémy pro chytré domácnosti a průmyslové senzory. Příkladem čipové antény je ST0147-00-011-A pro pásmo 2,4 GHz až 2,5 Ghz se všesměrovým vyzařovacím diagram (obrázek 6). Anténa má rozměry 3,05 x 1,6 x 0,55 mm a má impedanci 50 Ω. Ztráta odrazem RL je menší než -7 dB, a špičkový zisk je 3,7 dBi a průměrná účinnost je 80 %.
Obrázek 6: Čipová anténa ST0147-00-011-A pro povrchovou montáž je kompaktní a vykazuje všesměrový vyzařovací diagram v rovině XY. (Zdroj obrázku: Amphenol)
Stejně jako deskové antény jsou i patch antény kompaktní a lze je přímo připojit k desce. Typickou aplikací je anténa pro sledování majetku nebo jiná zařízení s GNSS. Patch antény GNSS obsahují propojovací prvek na dielektrickém substrátu. Vysoká účinnost zajišťuje, že anténa zachytí slabé signály GNSS z více satelitů.
Příkladem pasivní patch antény GNSS je ST0543-00-N04-U pro provoz ve frekvenčních pásmech 1,575 a 1,602 GHz. Anténa má rozměry 18 x 18 x 4 mm a má impedanci 50 Ω. Jeho ztráta odrazem RL je menší než -10 dB pro oba frekvenční rozsahy a špičkový zisk je -0,5 dBi v pásmu 1,575 GHz a 1,0 dBi v pásmu 1,602 GHz. Účinnost se pohybuje od 80 do 82 %. Externí prutové antény například pro Wi-Fi Access Point se umísťují vně zařízení, aby se dosáhlo co největšího dosahu a nejvyšší kvality signálu. Jsou užitečné v prostředích se slabými signály, které jsou navíc tlumeny stěnami, stropy či nábytkem v místnosti. K dispozici jsou rovné i otočné prutové konstrukce, každý se standardním RF rozhraním SMA, RP-SMA nebo N-Type.
Příkladem prutové antény je SMA RF anténa ST0226-30-002-A 2,4 a 5 GHz určená pro Wi-Fi AP a set-top boxy (STB). Nabízí všesměrový vyzařovací diagram ve frekvenčních pásmech 2,4 až 2,5 GHz a 5,15 až 5,85 GHz. Anténa má délku 88 mm a průměr 7,9 mm a impedanci 50 Ω. Ztráta odrazu RL je menší než -10 dB pro oba frekvenční rozsahy a špičkový zisk je 3,0 dBi v pásmu 2,4 GHz a 3,4 dBi v pásmu 5 GHz. Účinnost se pohybuje mezi 86 a 75 %. Anténa je k dispozici s konektorem SMA nebo RP-SMA (obrázek 7).
Obrázek 7: Externí prutová anténa ST0226-30-002-A pro Wi-Fi AP s konektorem SMA nebo RP-SMA. (Zdroj obrázku: Amphenol)
Šroubové drátové antény jsou levnou a jednoduchou možností pro sub-GHz aplikace jako jsou LoRa IoT zařízení pracující ve frekvenčním pásmu 868 MHz. Antény jsou obvykle připájeny přímo k desce plošných spojů a nabízejí dobrý výkon. Nevýhodou je jejich objemnost, zejména při provozu na nízkých frekvencích, a relativně nízká účinnost ve srovnání s některými alternativami.
Příkladem je RF anténa ST0686-10-N01-U 862 MHz (obrázek 8). Tato spirálová drátová anténa je určena pro frekvenční pásmo 862 až 874 MHz a má impedanci 50 Ω. Anténa se pájí na desku do průchozího otvoru a její maximální výška je 38,8 mm. Ztráta odrazem RL je méně než -9,5 dB, špičkový zisk je 2,5 dBi a průměrná účinnost je 58 %.
Obrázek 8: Šroubová drátová anténa ST0686-10-N01-U je dobrou volbou pro aplikace LoRa IoT. (Zdroj obrázku: Amphenol)
Závěr
Rádiový výkon bezdrátových IoT zařízení závisí na výběru antény. Proto je nutné pečlivě vybírat ze široké škály antén, které jsou na trhu. Amphenol je spolehlivým dodavatelem, který má ve svém portfoliu různé varianty antén pro jakoukoliv aplikaci.
Článek vyšel v originále na webu DigiKey.com
