Antennák kiválasztása a dolgok internetére kapcsolódó eszközökhöz és használatuk

A dolgok internetének (IoT, Internet of Things) elterjedése tovább gyorsítja és ösztönzi az újfajta végtermékek tervezését. A tervezőknek azonban nem szabad elfelejteniük, hogy bármennyi ötletesség és erőfeszítés is kerül a hardverbe és a szoftverbe, az antennák is kulcsfontosságú szerepet játszanak. Ha az antenna nem működik megfelelően, a termék teljesítménye nagymértékben romlik.

A készülék és a vezeték nélküli hálózat közötti illesztőelemként az antenna a dolgok internetére kapcsolódó eszközök tervezési folyamatának fontos része. A villamos energiát elektromágneses rádiófrekvenciás (RF) hullámmá alakítja az adónál, a beérkező rádiófrekvenciás jelet pedig villamos energiává a vevőnél. A tervezők a kulcsfontosságú műszaki paramétereknek megfelelő antenna kiválasztásával optimalizálhatják a készülék teljesítményét. A számos rendelkezésre álló lehetőség és szempont közötti válogatás azonban késedelmes és költséges tervezési ciklusokat eredményezhet.

Ez a cikk összefoglalja, hogy mi az antennák szerepe a dolgok internetére kapcsolódó vezeték nélküli eszközökben, és röviden ismerteti a kiválasztásukat befolyásoló lényeges tervezési szempontokat. Ezt követően az Amphenol által gyártott antennákat példaként használva szemlélteti, hogy hogyan kell megfelelő antennát választani egy Bluetooth LE (Bluetooth Low Energy, kis fogyasztású Bluetooth) eszközhöz vagy wifis érzékelőhöz, egy a dolgok internetére kapcsolódó, GNSS műholdas helyzetmeghatározásra alkalmas járműkövetőhöz, egy wifi hozzáférési ponthoz (AP, access point) és egy a dolgok internetére kapcsolódó LoRa- (long range, nagy hatótávolságú) eszközhöz.

Az adatlap értelmezése

Az antenna végső teljesítménye olyan mérnöki döntésektől függ, mint a felszerelési helyzet és az impedanciaillesztő hálózatok kialakítása. A jó megvalósításhoz elengedhetetlen az antenna adatlapjának figyelmes átnézése. A figyelembe veendő legfontosabb paraméterek a következők:

• Antennakarakterisztika: Grafikusan mutatja meg, hogy az antenna hogyan sugározza (vagy nyeli el) a rádiós energiát a 3D térben (1. ábra).
• Legnagyobb teljesítményátvitel: Az antenna és a vevő között akkor jó a teljesítményátvitel, ha az átviteli vonal impedanciája (Z₀) azonos az antenna impedanciájával (Z_a). A rossz impedanciaillesztés növeli a visszaverődési csillapítást (RL, return loss). Az átviteli vonal és az antenna közötti impedanciaillesztés jóságát a feszültségállóhullám-arány (VSWR, voltage standing wave ratio) mutatja (1. táblázat). A magas feszültségállóhullámarány-értékek nagy teljesítményveszteséget eredményeznek. A dolgok internetére kapcsolódó (IoT-) termékek esetében a 2 alatti feszültségállóhullámarány-értékek általában elfogadhatóak.
• Frekvenciaátvitel: A visszaverődési csillapítás a rádiófrekvenciától függ. A tervezőknek ellenőrizniük kell az antenna frekvenciaátvitelét az adatlapon, hogy a tervezett üzemi frekvencián a lehető legkisebb legyen a visszaverődési csillapítás (2. ábra).
• Irányítottság: Ez a paraméter azt mutatja, mennyire irányított az antennakarakterisztika. A legnagyobb irányítottság jele a D_max.
• Hatásfok (η (éta)): A teljes sugárzási teljesítmény (TRP (total radiated power) vagy P_rad) és a bemenőteljesítmény (P_in) hányadosa, az η = (Prad/Pin) * 100% képlet alapján számítható.
• Nyereség: Azt mutatja, hogy mekkora teljesítményt vesz az antenna a fő sugárzási irányában. Általában egy izotróp antennához viszonyítva szokás megadni, dBi értékben. A legnagyobb nyereség a Gain_max = η * D_max képlet alapján számítható ki.

1. ábra: Az antennakarakterisztika grafikusan ábrázolja, hogy az antenna hogyan sugározza vagy nyeli el a rádiófrekvenciás energiát a 3D térben. Az adatlapok általában a maximális kiterjedést mutatják az XY és az YZ síkban, ha az antenna előírássszerűen van felszerelve (ábra: Amphenol)

1. táblázat: Az átviteli vonal és az antenna közötti impedanciaillesztés jóságát a feszültségállóhullám-arány mutatja. A dolgok internetére kapcsolódó termékek esetében a 2 alatti feszültségállóhullámarány-értékek általában elfogadhatóak (táblázat: Steven Keeping)

2. ábra: A feszültségállóhullám-arány (VSWR) és a visszaverődési csillapítás (RL) a frekvenciától függ. A visszaverődési csillapítást a tervezett üzemi frekvencián a lehető legkisebbre kell csökkenteni (ábra: Amphenol)

A teljesítmény növelése

Egy gyenge teljesítményű antenna korlátozza, hogy mennyi villamos teljesítmény alakul át sugárzott energiává az adónál, és mennyi energia lesz begyűjtve a beérkező rádiófrekvenciás jelekből a vevőnél. Ha a kapcsolat bármelyik végén gyenge a teljesítmény, az csökkenti a vezeték nélküli kapcsolat hatótávolságát.

Az antenna teljesítményét befolyásoló elsődleges tényező az impedancia. Az antenna impedanciája (amely az antenna bemenőfeszültségével és áramerősségével függ össze) és az antennát meghajtó feszültségforrás impedanciája közötti jelentős eltérés rossz hatásfokú energiaátvitelt eredményez.

Egy jól megtervezett impedanciaillesztő áramkör minimálisra csökkenti a feszültségállóhullám-arányt és a későbbi teljesítményveszteségeket, mégpedig úgy, hogy az adó jelforrásainak impedanciáját az antenna impedanciájához illeszti. Az impedancia a dolgok internetére kapcsolódó kis teljesítményű termékek esetében jellemzően 50 Ω.

Az antenna helyzete szintén drámaian befolyásolja a végtermék adóteljesítményét és vételi érzékenységét. Belső antenna esetén a tervezési irányelvek azt javasolják, hogy az antenna a dolgok internetére kapcsolódó (IoT-) eszköz tetején, a nyomtatott áramköri lap szélén legyen elhelyezve, a lehető legtávolabb más olyan alkatrészektől, amelyek működés közben elektromágneses zajt (EMI, electromagnetic interference) állíthatnak elő. Kivételt képeznek az impedanciaillesztő alkatrészek, mivel ezek szükségszerűen az antenna közelében vannak. Egy adott területen kizárólag az antennát az áramkör többi részével összekötő nyomtatott áramköri lapok forraszpontjai és a vezetőcsíkok legyenek az egyetlen rézvezetők (3. ábra).

3. ábra: A nyomtatott áramköri lapra szerelt antennát a nyomtatott áramköri lap széléhez közel kell elhelyezni. Az antennát (az impedanciaillesztő áramkörhöz használt alkatrészeken kívül) más alkatrészektől is távol kell elhelyezni egy üres területet kialakítva (ábra: Amphenol)

(Az antennatervezési irányelvekről részletesebben lásd: How to Use Multiband Embedded Antennas to Save Space, Complexity, and Cost in IoT Designs (Többsávos beágyazott antennák használata a dolgok internetére kapcsolódó készülékekben a helytakarékosság, valamint a bonyolultság és költségek csökkentése érdekében)).

Antennafajták

Az antenna kiválasztása a dolgok internetére kapcsolódó eszközök tervezési folyamatának kritikus része. Az antennát az adott vezeték nélküli illesztőeszköz rádiófrekvencia-sávjára kell optimalizálni, például az NB-IoT-t a 450 MHz és 2200 MHz között több sávra, a LoRát Észak-Amerikában a 902–928 MHz közötti sávra, a wifit a 2,4 GHz-es és az 5 GHz-es sávra, a Bluetooth LE-t pedig a 2,4 GHz-es sávra.

Az antennák különböző villamos alapelvek alapján működnek. Ilyen például a monopólantenna, a dipólantenna, a hurokantenna, a fordított F-antenna (IFA, inverted F antenna) és a síkbeli fordított F-antenna (PIFA, planar inverted-F antenna). Mindegyik egy adott felhasználási területre alkalmas.

Vannak egybetáplálású (más néven egyvégű, single-ended) és különbségi vagy differenciálantennák is. Az egybetáplálású antennák aszimmetrikusak, míg a differenciálantennák szimmetrikusak. Az egybetáplálású antennák földhöz viszonyított jelet adnak vagy vesznek, és a bemeneti impedanciájuk jellemzően 50 Ω. Mivel azonban sok rádiófrekvenciás IC-nek van különbségi rádiófrekvenciás (differential RF) portja, egybetáplálású antenna használata esetén gyakran van szükség baluntranszformátorra. A baluntranszformátor átalakítja a szimmetrikus (bal = balanced) jelet aszimmetrikussá (un = unbalanced).

A differenciálantenna két egymást kiegészítő jelet használ, mindkettő saját vezetéken érkezik az antennára. Mivel az antenna szimmetrikus, ha az antennát különbségi rádiófrekvenciás porttal rendelkező rádiófrekvenciás IC-kkel használják, nincs szükség baluntranszformátorra.

Végül az antennák többféle formájúak lehetnek, ilyenek például a nyomtatott áramköri lapon kialakított antennák, az (IC-ben elhelyezett) IC-antennák, a foltantennák (patch antenna), valamint a külső ostor- vagy botantennák és huzalantennák. A 4. ábrán néhány antennafaja látható.

4. ábra: A dolgok internetére kapcsolódó különféle készülékekhez különböző antennák közül lehet választani (ábra: Amphenol)

Az antenna illesztése a készülékhez

Az antenna kiválasztását utolsó lépésben a felhasználási terület és a termék formája határozza meg. Ha például a dolgok internetére kapcsolódó termékben kevés a hely, közvetlenül a nyomtatott áramköri lapon is kialakítható az antenna. Ezek az antennák kiválóan megfelelnek a 2,4 GHz-es készülékekben, például az okosotthonok világításában, termosztátjaiban és biztonsági rendszereiben használt Bluetooth LE- vagy wifiérzékelőkhöz. Megbízható rádiófrekvenciás teljesítményt nyújtanak a lapos készülékekben. A nyomtatott áramköri lapon kialakított (nyák-) antennák tervezése még mindig kellő jártasságot kíván. Egy másik lehetőség a nyákantenna kereskedelmi forgalmazótól való beszerzése. Az ilyen nyákantenna ragasztós hátlap segítségével rögzíthető a fő nyomtatott áramköri lapra.

A nyomtatott áramköri lapon kialakított antennára egy példa az Amphenol ST0224-10-401-A jelű, a nyomtatott áramköri lap vezetőcsíkjából kialakított rádiófrekvenciás antennája. Az antenna irányítatlan (más néven körsugárzó) karakterisztikájú, és a 2,4–2,5 GHz-es és az 5,15–5,85 GHz-es sávban használható. Az antenna mérete 30 mm × 10 mm × 0,2 mm, impedanciája pedig 50 Ω. Visszaverődési csillapítása mindkét frekvenciatartományban kevesebb mint –10 dB, csúcserősítése pedig a 2,4 GHz-es sávban 2,1 dB, míg az 5 GHz-es sávban 3,1 dBi. Hatásfoka 77%, illetve 71% (értelemszerűen) (5. ábra).

5. ábra: Az ST0224-10-401-A jelű, a nyomtatott áramköri lap vezetőcsíkjából kialakított antenna mind a 2,4, mind az 5 GHz-es sávban jó hatásfokú (ábra: Amphenol)

Egy másik lehetőség a dolgok internetére kapcsolódó, helyszűkében lévő termékekhez az IC-antenna. Ez a kis méretű alkatrész automatizált berendezésekkel közvetlenül a nyomtatott áramköri lapra szerelhető. Az antenna a dolgok internetére kapcsolódó Bluetooth LE- vagy wifialapú vezeték nélküli készülékekhez alkalmas. Az IC-antennák legfontosabb előnyei a helytakarékosság, az alacsonyabb gyártási költségek és az egyszerűbb tervezési folyamat.

A fentebb leírtak alapján az IC-antennák teljesítményét olyan tényezők befolyásolják, mint a nyomtatott áramköri lap elrendezése és a környező alkatrészek, de az antennatechnika fejlődése jó hatásfokú eszközök kifejlesztéséhez vezetett. Az IC-antennák különböző felhasználási területekre alkalmasak az okostelefonoktól és táblagépektől kezdve az okosotthonok rendszereiig és az ipari érzékelőkig.

Jó példa erre az Amphenol ST0147-00-011-A jelű 2,4 GHz-es, nyomtatott áramköri lapra szerelhető felületszerelt IC-antennája. Az antenna irányítatlan karakterisztikájú, és a 2,4–2,5 GHz-es sávban használható (6. ábra). A mérete 3,05 mm × 1,6 mm × 0,55 mm, impedanciája pedig 50 Ω. A visszaverődési csillapítása kevesebb mint –7 dB, a csúcserősítése 3,7 dBi, az átlagos hatásfoka pedig 80%.

6. ábra: Az ST0147-00-011-A felületszerelt IC-antenna kis méretű, és az XY síkban irányítatlan sugárzási karakterisztikájú (ábra: Amphenol)

Az IC-antennákhoz hasonlóan a foltantennák is kis méretűek, és közvetlenül a nyomtatott áramköri lapra rögzíthetőek. A jellegzetes felhasználási területük a járműkövető vagy a GNSS (globális navigációs műholdrendszer) rendszerhez kapcsolódó egyéb eszközök antennáiként való használat. A GNSS-foltantennák egy szigetelőlapra nyomtatott folt formájában kialakított vezetőből állnak. A jó hatásfok garantálja, hogy az antenna több műhold gyenge GNSS-jeleit is vegye.

Ilyen például az Amphenol ST0543-00-N04-U jelű passzív GNSS-foltantennája, amely az 1,575 GHz-es és az 1,602 GHz-es frekvenciasávban használható. Az antenna mérete 18 mm × 18 mm × 4 mm, impedanciája pedig 50 Ω. Visszaverődési csillapítása mindkét frekvencián kevesebb mint –10 dB, csúcserősítése pedig 1,575 GHz-en –0,5 dB, míg 1,602 GHz-en 1,0 dBi. Hatásfoka 80%, illetve 82% (értelemszerűen).

A külső ostorantennákat, például a wifi hozzáférési pontokhoz való antennákat a rádiós működés optimalizálása érdekében a dolgok internetére kapcsolódó eszközökön kívülre szerelik. A külső ostorantenna megnöveli a jel hatótávolságát, javítja a jel minőségét, áthidalja az akadályokat, és kivédi zavarásokat. Olyan környezetben hasznos, ahol a jelek gyengék, vagy valami akadályozza őket, ilyenek például a lakás falai, a mennyezet és a bútorok által gyengített jelek. Egyenes és forgatható ostorantenna formájában, szabványos rádiófrekvenciás csatlakozókkal, egyebek mellett SMA, RP-SMA és N típusú csatlakozókkal kaphatóak.

Ilyen például az Amphenol ST0226-30-002-A jelű, 2,4 GHz-es és 5 GHz-es frekvencián használható, SMA csatlakozójú botantennája. Ez az antenna jó megoldás wifi hozzáférési pontokkal és tévés beltéri egységekkel (STB, set-top box) való használatra. Irányítatlan karakterisztikájú, és a 2,4–2,5 GHz-es és az 5,15–5,85 GHz-es frekvenciasávban használható. 88 mm hosszú és 7,9 mm átmérőjű, az impedanciája pedig 50 Ω. Visszaverődési csillapítása mindkét frekvenciasávban kevesebb mint –10 dB, csúcserősítése pedig a 2,4 GHz-es sávban 3,0 dB, míg az 5 GHz-es sávban 3,4 dBi. Hatásfoka 86%, illetve 75% (értelemszerűen). Az antenna SMA és RP-SMA csatlakozóval is rendelhető (7. ábra).

7. ábra: A wifi hozzáférési pontokhoz való ST0226-30-002-A külső ostorantenna SMA és RP-SMA csatlakozóval is kapható (kép: Amphenol)

A spirális huzalantennák olcsó és egyszerű megoldást jelentenek az 1 GHz alatti frekvenciát használó készülékekhez, például a dolgok internetére kapcsolódó, a 868 MHz-es frekvenciasávban működő LoRa-eszközökhöz. Az antennákat általában közvetlenül a nyomtatott áramköri lapra forrasztják, és jó teljesítményt nyújtanak. Néhány hátrányuk a terjedelem, különösen alacsony frekvenciákon való működés esetén, és az egyes egyéb antennafajtákhoz képest viszonylag rossz hatásfok.

Ilyen antenna például az ST0686-10-N01-U jelű, 862 MHz-es antenna (8. ábra). Ez a spirális huzalantenna a 862–874 MHz-es frekvenciasávban működik, és 50 Ω az impedanciája. Az antenna furatszerelt, legnagyobb magassága 38,8 mm. A visszaverődési csillapítása kevesebb mint –9,5 dB, a csúcserősítése 2,5 dBi, az átlagos hatásfoka pedig 58%.

8. ábra: Az ST0686-10-N01-U spirális huzalantenna jó választás a dolgok internetére kapcsolódó LoRa-eszközökhöz (kép: Amphenol)

Összegzés

A dolgok internetére kapcsolódó vezeték nélküli eszközök rádiós teljesítménye a választott antennától függ, ezért a tervezőknek gondosan kell választaniuk az olyan beszállítók antennafajtáinak széles választékából, mint az Amphenol, hogy az antennák a lehető legjobban illeszkedjenek a készülékhez. Az adatlapok nagyon lényegesek a kiválasztás során, de a legjobb vezeték nélküli teljesítményt a bevált tervezési irányelvek követése biztosítja.