Cum să selectați și să aplicați antene pentru dispozitive IoT

Proliferarea dispozitivelor pentru Internetul lucrurilor (IoT) continuă să accelereze și să inspire proiectarea de produse finale inovatoare. Cu toate acestea, designerii trebuie să își amintească faptul că, indiferent de cât de multă creativitate și efort se depun pentru hardware și software, antenele au un rol esențial. Dacă antena nu funcționează corect, performanța produsului este grav compromisă.

Ca interfață între dispozitiv și rețeaua wireless, antena este o parte esențială a procesului de proiectare a dispozitivelor IoT. Aceasta convertește energia electrică într-o undă electromagnetică de radiofrecvență (RF) la emițător și convertește un semnal RF primit în energie electrică la receptor. Proiectanții pot optimiza performanța unei aplicații prin selectarea unei antene care îndeplinește parametrii tehnici cheie. Cu toate acestea, numeroasele opțiuni și considerente disponibile pot duce la cicluri de proiectare întârziate și costisitoare.

Acest articol rezumă rolul pe care o antenă îl are într-un dispozitiv IoT fără fir și descrie pe scurt criteriile critice de proiectare care influențează selecția acesteia. Articolul folosește apoi exemple de antene de la Amphenol pentru a ilustra alegerile potrivite pentru un senzor Bluetooth Low Energy (LE) sau Wi-Fi, un dispozitiv de urmărire a activelor IoT cu capacitate de poziționare prin satelit GNSS, un punct de acces (AP) Wi-Fi și un dispozitiv IoT LoRa.

Interpretarea fișei tehnice

Performanța finală a unei antene este condiționată de deciziile tehnice, cum ar fi poziția de montare și proiectarea rețelelor de adaptare a impedanțelor. O implementare bună necesită o analiză atentă a fișei tehnice a antenei. Parametrii cheie includ:

• Modelul de radiație: Acesta definește grafic modul în care antena radiază (sau absoarbe) energia radio în spațiul 3D (Figura 1).
• Transfer maxim de putere: Un transfer bun de putere între antenă și receptor are loc atunci când impedanța liniei de transmisie (Z₀) este adaptată la cea a antenei (Z_a). Adaptarea slabă a impedanțelor crește pierderea la retur (RL). Raportul undelor staționare de tensiune (VSWR) indică adaptarea impedanțelor dintre linia de transmisie și antenă (Tabelul 1). Valorile VSWR ridicate duc la pierderi mari de putere. Un VSWR sub 2 este, în general, acceptabil pentru un produs IoT.
• Răspunsul la frecvență: Pierderea la retur (RL) depinde de frecvența radio. Proiectanții trebuie să verifice în fișa tehnică răspunsul în frecvență al antenei pentru a se asigura că RL este minimizat la frecvența de funcționare prevăzută (Figura 2).
• Directivitate: Aceasta măsoară natura direcțională a modelului de radiație a antenei. Directivitatea maximă este definită de valoarea D_max.
• Eficiență (η): Raportul dintre puterea totală radiată (TRP, sau P_rad) și puterea de intrare (P_in) se calculează după formula η = (Prad/Pin) * 100 %.
• Câștig: Acesta descrie câtă putere este transmisă în direcția de vârf a radiației. De obicei, se raportează la o antenă izotropică desemnată cu dBi. Se calculează după formula Gain_max = η * D_max.

Figura 1: Modelele de radiație reprezintă grafic modul în care antena radiază sau absoarbe energia radio în spațiul 3D. De obicei, fișele tehnice indică întinderea maximă în planurile XY și YZ atunci când antena este montată conform destinației. (Sursa imaginii: Amphenol)

Tabelul 1: VSWR indică adaptarea impedanței dintre linia de transmisie și antenă. Un VSWR sub 2 este, în general, acceptabil pentru un produs IoT. (Sursa tabelului: Steven Keeping)

Figura 2: VSWR și RL depind de frecvență. RL trebuie să fie redus la minimum la frecvența de funcționare prevăzută. (Sursa imaginii: Amphenol)

Stimularea performanței

O antenă cu performanțe slabe limitează cantitatea de energie electrică transformată în energie radiată la emițător și cantitatea de energie colectată din semnalele RF primite la receptor. Performanțele slabe la ambele capete reduc raza de acțiune a legăturii fără fir.

Principalul factor care afectează performanța antenei este impedanța. O nepotrivire semnificativă între impedanța antenei (care este legată de tensiunea și curentul de la intrarea sa) și impedanța sursei de tensiune care alimentează antena duce la un transfer slab de energie.

Un circuit de adaptare a impedanțelor bine conceput minimizează VSWR și pierderile de putere ulterioare, prin adaptarea impedanței surselor de putere ale emițătorului cu cea a antenei. Impedanța este, de obicei, de 50 ohmi (Ω) pentru un produs IoT de mică putere.

De asemenea, poziția antenei influențează în mod considerabil și puterea de emisie și sensibilitatea de recepție a produsului final. Pentru o antenă internă, orientările de proiectare recomandă amplasarea în partea superioară a dispozitivului IoT, pe marginea plăcii de circuite imprimate (pc) și cât mai departe posibil de alte componente care ar putea genera interferențe electromagnetice (EMI) în timpul funcționării. Componentele de adaptare a impedanțelor sunt o excepție, deoarece acestea sunt, prin necesitate, aproape de antenă. Plăcuțele și traseele plăcii PCB care conectează antena la restul circuitelor trebuie să fie singurele conductoare de cupru dintr-o zonă liberă definită (Figura 3).

Figura 3: O antenă montată pe o placă de circuite imprimate trebuie să fie amplasată aproape de marginea acesteia. De asemenea, antena trebuie amplasată departe de alte componente (în afară de cele utilizate pentru circuitul de adaptare a impedanțelor) prin încorporarea unei zone libere. (Sursa imaginii: Amphenol)

(Pentru mai multe detalii privind orientările de proiectare a antenelor, consultați „Cum să utilizați antene integrate cu benzi multiple pentru a economisi spațiu și a reduce complexitatea și costurile în proiectele IoT”).

Tipuri de antene

Specificarea antenei este o parte esențială a procesului de proiectare a dispozitivelor IoT. Antena trebuie optimizată pentru banda RF a interfeței wireless țintă, de exemplu, NB-IoT pentru mai multe benzi între 450 megahertzi (MHz) și 2200 MHz, LoRa pentru 902 - 928 MHz în America de Nord, Wi-Fi pentru 2,4 gigahertzi (GHz) și 5 GHz și Bluetooth LE pentru 2,4 GHz.

Antenele utilizează diferite concepte electrice. Exemplele includ antenele cu monopol, dipol, buclă, antena F inversată (IFA) și antena plană inversată F (PIFA). Fiecare se potrivește unei anumite aplicații.

Există, de asemenea, antene cu un singur capăt și diferențiale. Tipul cu un singur capăt este neechilibrat, în timp ce antenele diferențiale sunt echilibrate. Antenele cu un singur capăt primesc sau transmit un semnal raportat la masă, iar impedanța de intrare caracteristică este, de obicei, de 50 Ω. Cu toate acestea, deoarece multe circuite integrate RF au porturi RF diferențiale, este adesea nevoie de o rețea de transformare dacă se utilizează o antenă cu un singur capăt. Această rețea balun transformă semnalul din echilibrat (balun) în dezechilibrat (unbalanced).

O antenă diferențială transmite folosind două semnale complementare, fiecare în propriul său conductor. Deoarece antena este echilibrată, nu este nevoie de un balun atunci când antena este utilizată cu circuite integrate RF cu porturi RF diferențiale.

În cele din urmă, antenele sunt disponibile sub mai multe forme, cum ar fi pentru PCB, cu cip sau patch, vergea externă și cu fir. Figura 4 ilustrează câteva exemple de aplicații.

Figura 4: Sunt disponibile diferite antene pentru a răspunde cerințelor diferitelor aplicații IoT. (Sursa imaginii: Amphenol)

Adaptarea antenei la aplicație

Aplicația și factorul de formă al produsului determină alegerea finală a antenei. De exemplu, dacă spațiul unui produs IoT este limitat, o antenă PCB poate fi încorporată direct în circuitele plăcii PCB. Aceste antene sunt o alegere excelentă pentru aplicațiile de 2,4 GHz, cum ar fi senzorii Bluetooth LE sau Wi-Fi din dispozitivele inteligente pentru casă, inclusiv iluminatul, termostatele și sistemele de securitate. Acestea oferă performanțe RF fiabile într-o arhitectură cu profil redus. Cu toate acestea, antenele pentru plăci PCB sunt dificil de proiectat. O alternativă este să achiziționați antena PCB de la un furnizor comercial. Aceasta poate fi apoi atașată la placa PCB folosind un suport adeziv.

Un exemplu de antenă PCB este antena RF pentru trasee PCB cu Wi-Fi ST0224-10-401-A de la Amphenol. Antena oferă un model de radiație omnidirecțional în benzile 2,4 - 2,5 GHz și 5,15 - 5,85 GHz. Antena măsoară 30 x 10 x 0,2 milimetri (mm) și are o impedanță de 50 Ω. Valoarea sa RL este mai mică de -10 decibeli (dB) pentru ambele game de frecvențe, iar câștigul său maxim este de 2,1 dB în raport cu izotropia (dBi) în banda de 2,4 GHz și de 3,1 dBi în banda de 5 GHz. Eficiența sa este de 77 și, respectiv, 71 % (Figura 5).

Figura 5: Antena pentru trasee PCB cu Wi-Fi ST0224-10-401-A este eficientă atât în banda de 2,4 GHz, cât și în cea de 5 GHz. (Sursa imaginii: Amphenol)

O altă opțiune pentru produsele IoT cu spațiu limitat este o antenă cu cip. Echipamentele automatizate pot monta direct această componentă compactă pe o placă de circuite imprimate. Antena se potrivește aplicațiilor IoT wireless bazate pe Bluetooth LE sau Wi-Fi. Principalele avantaje ale unei antene cu cip sunt economisirea spațiului, reducerea costurilor de producție și simplificarea procesului de proiectare.

După cum s-a descris mai sus, performanța unei antene cu cip este influențată de factori precum aspectul plăcii de circuite imprimate și componentele din jur, dar progresele în tehnologia antenelor au dus la dispozitive foarte eficiente. Antenele cu cip sunt potrivite pentru diverse aplicații, de la smartphone-uri și tablete la sisteme inteligente pentru casă și senzori industriali.

Un exemplu este ST0147-00-011-A de la Amphenol, o antenă cu cip de 2,4 GHz, cu montare pe suprafață. Antena oferă un model de radiație omnidirecțional în banda de frecvență de la 2,4 la 2,5 GHz (Figura 6). Aceasta măsoară 3,05 x 1,6 x 0,55 mm și are o impedanță de 50 Ω. Valoarea sa R este mai mică de -7 dB, câștigul său maxim este de 3,7 dBi, iar eficiența medie este de 80 %.

Figura 6: Antena cu cip ST0147-00-011-A cu montare pe suprafață este compactă și prezintă un model de radiație omnidirecțional în planul XY. (Sursa imaginii: Amphenol)

La fel ca antenele PCB, antenele patch sunt compacte și pot fi atașate direct la placa PCB. O aplicație tipică este o antenă pentru un dispozitiv de urmărire a activelor sau alte dispozitive cu capacitate GNSS (Global Navigation Satellite System). Antenele patch GNSS includ un element patch pe un substrat dielectric. Eficiența ridicată asigură preluarea de către antenă a semnalelor GNSS slabe de la mai mulți sateliți.

Un exemplu este antena patch GNSS pasivă ST0543-00-N04-U de la Amphenol pentru funcționarea în benzile de frecvență de 1,575 și 1,602 GHz. Aceasta măsoară 18 x 18 x 4 mm și are o impedanță de 50 Ω. Valoarea sa RL este mai mică de -10 dB pentru ambele game de frecvențe, iar câștigul său maxim este de -0,5 dBi în banda de 1,575 GHz și de 1,0 dBi în banda de 1,602 GHz. Eficiența sa este de 80 și, respectiv, 82 %.

Antenele-vergea externe, cum ar fi antena de pe un AP Wi-Fi, sunt montate în afara dispozitivelor IoT pentru a optimiza funcționarea radio. O antenă-vergea externă extinde raza semnalului, îmbunătățește calitatea semnalului și depășește obstacolele sau interferențele. Acestea sunt utile în medii cu semnale slabe sau obstrucționate, cum ar fi cele atenuate de pereți, tavane și mobilierul din casă. Sunt disponibile modele de antene-vergea drepte și pivotante, fiecare cu conexiuni de interfață RF standard, cum ar fi SMA, RP-SMA și tip N.

Un exemplu este antena stick RF SMA ST0226-30-002-A de 2,4 și 5 GHz de la Amphenol. Antena este o soluție bună pentru AP-urile Wi-Fi și pentru set-top box-uri (STB). Aceasta oferă un model de radiație omnidirecțional în benzile de frecvență de la 2,4 la 2,5 GHz și de la 5,15 la 5,85 GHz. Antena măsoară 88 x 7,9 mm în diametru și are o impedanță de 50 Ω. Valoarea sa RL este mai mică de -10 dB pentru ambele game de frecvențe, iar câștigul său maxim este de 3,0 dBi în banda de 2,4 GHz și de 3,4 dBi în banda de 5 GHz. Eficiența sa este de 86 și, respectiv, 75 %. Este disponibilă cu un conector cu fișă SMA sau RP-SMA (Figura 7).

Figura 7: Antena-vergea externă ST0226-30-002-A pentru AP Wi-Fi este disponibilă cu un conector SMA sau RP-SMA. (Sursa imaginii: Amphenol)

Antenele cu fir elicoidal sunt o opțiune ieftină și simplă pentru aplicații sub-GHz, cum ar fi dispozitivele IoT LoRa care funcționează în banda de frecvență de 868 MHz. Antenele sunt, de obicei, lipite direct pe placa PCB și oferă performanțe bune. Unele dezavantaje sunt volumul mare, în special atunci când funcționează la frecvențe joase, și eficiența relativ scăzută în comparație cu unele alternative de antene.

Un exemplu este antena RF ST0686-10-N01-U de 862 MHz de la Amphenol (Figura 8). Această antenă cu fir elicoidal funcționează în banda de frecvență de la 862 la 874 MHz și are o impedanță de 50 Ω. Poate fi montată prin lipire prin orificii de trecere, cu o înălțime maximă de 38,8 mm. Aceasta are o valoare RL mai mică de -9,5 dB, un câștig de vârf de 2,5 dBi și o eficiență medie de 58 %.

Figura 8: Antena cu fir elicoidal ST0686-10-N01-U este o opțiune bună pentru aplicațiile IoT LoRa. (Sursa imaginii: Amphenol)

Concluzie

Performanțele radio ale dispozitivelor IoT wireless depind de selectarea antenei, astfel că proiectanții trebuie să aleagă cu atenție dintr-o gamă largă de modele de antene de la furnizori precum Amphenol, pentru a răspunde cel mai bine cerințelor aplicației. Fișele tehnice sunt esențiale în timpul selecției, dar respectarea ghidurilor de proiectare stabilite asigură cea mai bună performanță wireless.