Optimizarea integrării antenelor în dispozitivele ISM LPWA

Extinderea continuă a internetului lucrurilor (IoT) în domeniul dispozitivelor industriale, de consum și medicale, precum și a orașelor și clădirilor inteligente emergente, determină creșterea rapidă a utilizării rețelelor wireless de arie largă de joasă putere (LPWA). Acest lucru este valabil mai ales în benzile de frecvențe radio (RF) industriale, științifice și medicale (ISM) de 915 MHz în SUA,868 și 169 MHz în Europa și 433 MHz în Asia, care acceptă protocoale wireless precum LoRa, Neul, SigFox, Zigbee și Z-Wave.

Dispozitivele LPWA continuă să se micșoreze și au nevoie de antene compacte și cu prețuri mici, dar cu performanțe superioare. Problemele legate de planul de masă al antenei pot fi deosebit de problematice în benzile ISM de 868 și 915 MHz. Acestea pot fi rezolvate cu ajutorul unor circuite suplimentare, al unei integrări mai mari a dispozitivelor și al unei reglări mai precise a frecvenței, toate acestea putând crește timpul și costurile de dezvoltare. Proiectanții au nevoie de antene care să minimizeze problemele legate de planul de masă. În plus, dispozitivele LPWA sunt adesea alimentate cu baterii și necesită o eficiență energetică maximă. Selectarea și integrarea antenei este un aspect critic al unui proiect eficient. O soluție de antenă sub nivelul optim poate reduce durata de viață a bateriei și poate duce la o performanță generală slabă a sistemului.

Un buget optimizat al legăturii este unul dintre elementele cheie pentru o interfață de comunicații wireless fiabilă și eficientă. Selectarea și integrarea antenelor au un impact semnificativ asupra bugetului legăturii. Dar proiectarea sau selectarea unei antene eficiente și de înaltă performanță care să abordeze atât problemele legate de bugetul legăturii, cât și cele legate de planul de masă reprezintă un proces complex. Specificațiile antenei care au un impact asupra bugetului legăturii includ impedanța, pierderea la retur, raportul de undă staționară de tensiune, câștigul, diagrama de radiație și multe altele. Identificarea unor antene ușor de integrat, compacte și de înaltă performanță, care minimizează problemele legate de planul de masă, poate reduce semnificativ timpul de proiectare și poate îmbunătăți performanța generală a sistemului.

Acest articol descrie un model de bază al bugetului legăturii, trece în revistă specificațiile cheie ale antenelor care au impact asupra bugetului legăturii și prezintă exemple de antene de la Molex care pot depăși problemele legate de planul de masă și pot ajuta la optimizarea bugetelor legăturii în dispozitivele LPWA.

Bugetul de bază al legăturii

Un buget al legăturii într-un sistem wireless măsoară energia RF efectivă care ajunge la receptor. Ecuația pornește de la puterea transmisă în decibel-metri (dBm), adaugă orice câștiguri în decibeli (dB), scade pierderile, de asemenea în dB, și ajunge la puterea recepționată în dBm. Într-un proiect practic, există numeroși factori care contribuie la câștiguri și pierderi.

O cercetare mai amplă a bugetelor legăturilor

Performanța antenei este singurul factor care influențează câștigurile și pierderile în bugetul unei legături. Eficiența antenei, câștigul și diagrama de radiație sunt trei aspecte importante ale performanței antenei și sunt adesea măsurate cu ajutorul unei camere OTA (over-the-air) (figura 1). Alți factori care pot avea un impact asupra bugetelor legăturilor sunt pierderea la retur (parametrul S11) și raportul de undă staționară de tensiune (VSWR).

Figura 1: Eficiența, câștigul și diagrama de radiație ale antenei sunt măsurate cu ajutorul unei camere OTA. (DUT din imagine se referă la Device Under Test – dispozitivul testat) (Sursa imaginii: Molex)

Eficiența antenei determină emisivitatea unei antene. Eficiența medie este utilizată adesea, dar eficiența nu este un număr unic. Este o curbă care poate fi mai mult sau mai puțin plană, în funcție de antena specifică luată în considerare (figura 2). Adesea, o antenă cu o curbă de eficiență mai plană va avea o eficiență maximă mai mică decât o antenă cu o curbă de eficiență mai accentuată.

Figura 2: Curbele de eficiență ale antenelor pot varia foarte mult: antena din stânga are o curbă de eficiență mai plană, dar cea din dreapta are o eficiență de vârf cu aproximativ 10% mai mare la 915 MHz. (Sursă imagine: Molex)

La fel ca eficiența, câștigul antenei poate fi măsurat ca valoare medie sau ca valoare de vârf/maximă. La o anumită frecvență, câștigul mediu este măsurat pe toate unghiurile din spațiul tridimensional, în timp ce câștigul maxim este un singur punct de funcționare. În general, cu cât câștigul mediu este mai mare, cu atât este mai bine.

Diagrama de radiație a unei antene este un factor important în determinarea câștigului. O antenă teoretică care radiază aceeași energie în toate direcțiile se numește radiator izotropic și are un câștig de 0 dB (unitate). Antenele reale, chiar și așa-numitele modele omnidirecționale, au diagrame de radiație non-izotrope și pot fi mai mult sau mai puțin direcționale, măsurate în planuri 3D (figura 3). O antenă cu un câștig de 3 dB este de două ori mai eficientă într-o anumită direcție decât un radiator izotropic. Aceasta dublează puterea emițătorului sau sensibilitatea receptorului în direcția respectivă.

Figura 3: Diagramele de radiație diferă în funcție de diferitele modele de antene și pot fi importante în calculele bugetului legăturii. Ambele antene sunt specificate cu diagrame de radiații omnidirecționale. (Sursă imagine: Molex)

Proiectarea antenei și mediul înconjurător afectează diagrama de radiație. Măsurătorile tipice din fișa tehnică utilizează un mediu de spațiu liber fără interferențe în jur. În implementările efective, câștigul maxim va fi redus cu 1 până la 2 decibeli în raport cu o antenă izotropă (dBi), deoarece diagrama de radiație se va modifica din cauza componentelor înconjurătoare.

Pierderea la retur (S11) și raportul de undă staționară de tensiune (VSWR) sunt măsurători legate de cantitatea de energie reflectată de la antenă înapoi în circuitul RF, iar valorile mai mici sunt mai bune (figura 4). S11 ≤ -6dB sau VSWR ≤ 3 sunt adesea considerate a fi niveluri minime de performanță acceptabile. Dacă S11 = 0 dB, atunci toată puterea este reflectată și nu este radiată. Sau, dacă S11 = -10 dB, atunci când antena primește 3 dB de putere, puterea reflectată este de -7 dB. Antena utilizează restul de energie.

Figura 4: Pierderea la retur a antenei cu eficiență ridicată (dreapta) este de aproximativ -14 dB la 915 MHz, în timp ce pierderea la retur a antenei cu eficiență mai mică, cu o curbă de eficiență mai plană, este de aproximativ -10 dB la 915 MHz. (Sursă imagine: Molex)

VSWR este o funcție a coeficientului de reflexie. La fel ca pierderea la retur, un VSWR mai mic indică o antenă mai bună. Valoarea minimă a VSWR este 1,0, în cazul în care nicio putere nu este reflectată de antenă. Adaptarea impedanței poate fi utilizată pentru a minimiza S11 și VSWR. Adaptarea impedanței implică modificarea liniei de transmisie dintre antenă și circuitul RF pentru a îmbunătăți transferul maxim de energie. O nepotrivire a impedanței face ca o parte din puterea RF să nu fie acceptată de antenă. O potrivire exactă între impedanța liniei de transmisie și impedanța antenei are ca rezultat recepționarea întregii puteri RF la antenă.

Unele antene au o impedanță de 50 Ω și nu au nevoie de o rețea de adaptare. Majoritatea antenelor necesită o rețea de adaptare a impedanței în linia de transmisie pentru optimizarea performanței antenei. În general, rețelele de adaptare sunt necesare în cazul antenelor care acceptă mai multe benzi de frecvență. O rețea de adaptare poate consta din diverse combinații de condensatori, inductori sau rezistențe, dacă este necesar.

Îmbunătățirea performanțelor antenei

O antenă de bază constă dintr-un conductor de o anumită lungime, dar pentru îmbunătățirea performanței antenei pot fi adăugate elemente suplimentare. Un exemplu este tehnologia antenei MobliquA™ de la Molex, care include tehnologii de îmbunătățire a lățimii de bandă (figura 5). Tehnologia MobliquA este concepută pentru a îmbunătăți gama de frecvențe în care pierderea la retur este acceptabilă, adesea denumită "lățime de bandă de impedanță". Această tehnologie poate îmbunătăți lățimea de bandă de impedanță cu 60-70%, fără a compromite eficiența radiației sau a crește dimensiunea antenei. O antenă ISM proiectată pentru 868 MHz și 915 MHz cu ajutorul tehnologiei MobliquA poate avea un volum cu până la 75% mai mic decât modelele convenționale și poate elimina necesitatea unor circuite costisitoare și a reglajelor de frecvență necesare pentru a rezolva problemele legate de dependența de planul de masă.

Figura 5: Tehnologia MobliquA de la Molex este concepută pentru a îmbunătăți lățimea de bandă de impedanță și pentru a oferi un grad ridicat de imunitate la introducerea obiectelor metalice în volumul antenei. (Sursă imagine: Molex)

Tehnologia MobliquA permite utilizarea de piese decuplate de RF sau împământate, cum ar fi o carcasă de conector împământată. Oferă o bună imunitate la introducerea pieselor metalice în volumul antenei. Tehnicile sale unice de alimentare combinate cu o împământare directă a elementelor antenei asigură o protecție sporită împotriva descărcărilor electrostatice (ESD) pentru front-end-ul RF.

Integrarea antenei

În timp ce toate specificațiile electrice discutate mai sus sunt aspecte importante ale integrării antenei, există și problema conectării mecanice și a integrării antenei în sistem. Există mai multe posibilități. De exemplu, unele antene sunt concepute pentru a fi lipite în sistem, iar altele includ un cablu coaxial și un conector atașat la sistem. Următoarele două secțiuni prezintă unele dintre specificațiile pentru fiecare antenă omnidirecțională.

Antenă ISM flexibilă cu coaxial și conector

Pentru aplicațiile care au nevoie de o antenă ISM cu bandă dublă de 868/915 MHz, proiectanții pot apela la modelul 2111400100 de la Molex (figura 6). Această antenă monopol măsoară 38 x 10 x 0,1 milimetri (mm), este fabricată dintr-un material polimeric flexibil și are un cablu micro-coaxial cu o lungime de 100 mm, cu un diametru exterior de 1,13 mm și un conector U.FL compatibil cu MHF. Este de tip "peel-and-stick" și se atașează la orice suprafață nemetalică. Acesta poate gestiona o putere RF de 2 W și are o temperatură de funcționare cuprinsă între -40 și +85 °C. Alte antene din această serie au opțiuni de lungime a cablului de 50, 150, 200, 250 și 300 mm, în plus, putând fi fabricate lungimi personalizate.

Figura 6: Această antenă ISM cu bandă dublă este flexibilă și este montată în sistem cu ajutorul unui adeziv de tip "peel-and-stick". (Sursă imagine: Molex)

Unele specificații cheie includ:

• Eficiență: >55% la 868 MHz, >60% la 902 MHz
• Câștig maxim: 0,3 dBi la 868 MHz, 1,0 dBi la 902 MHz
• Diagramă de radiație: omnidirecțională
• Pierderea la retur (S11): < -5 dB

Antena ISM ceramică de înaltă eficiență se fixează prin lipire pe PCB

Atunci când este nevoie de o eficiență mai mare, proiectanții pot utiliza o antenă ceramică 2081420001, proiectată special pentru aplicații ISM (figura 7). Se pot utiliza diferite rețele de adaptare în două benzi de frecvență diferite: 868-870 MHz și 902-928 MHz. Cu o temperatură de funcționare de la -40 la +125 °C, acesta măsoară 9 x 3 x 0,63 mm.

Figura 7: Cu diferite rețele de adaptare, această antenă ceramică poate fi utilizată în două benzi de frecvență diferite: 868-870 MHz și 902-928 MHz. (Sursă imagine: Molex)

Unele specificații cheie includ:

• Eficiență: 70% la 868 MHz, 65% la 902 MHz
• Câștig maxim: 1,5 dBi la 868 MHz, 1,8 dBi la 902 MHz
• Diagramă de radiație: omnidirecțională
• Pierderea la retur (S11): < -10 la 868 MHz, < -5 la 902 MHz

Rezumat

Optimizarea și integrarea antenelor în aplicațiile LPWA ISM, inclusiv protocoalele LoRa, Neul, SigFox, Zigbee și Z-Wave IoT, reprezintă o sarcină importantă și complexă. Optimizarea bugetului legăturii este necesară pentru asigurarea unei bune performanțe wireless și a unei durate de viață lungi a bateriei. Aceasta include numeroase compromisuri privind specificațiile de funcționare electrică și dezvoltarea unei rețele eficiente de adaptare a impedanței. De asemenea, procesul de selectare a antenei trebuie să ia în considerare mediul de operare și cerințele mecanice și de interconectare ale dispozitivului.