Az antennabeépítés optimalizálása a kis fogyasztású nagy kiterjedésű hálózatokban (LPWA) használt ipari, tudományos és gyógyászati (ISM) berendezések esetében

A dolgok internetének (IoT) az ipari, lakossági és gyógyászati készülékek körében történő folyamatos bővülése, valamint a kialakulóban lévő intelligens városok és intelligens épületek mind a kis fogyasztású nagy kiterjedésű (LPWA) vezeték nélküli hálózatok gyorsan növekvő használatát ösztönzik. Ez különösen igaz az ipari, tudományos és gyógyászati (ISM) berendezések által használt rádiófrekvenciás (RF) sávokra (ez az Amerikai Egyesült Államokban 915 MHz, Európában 868 MHz és 169 MHz, Ázsiában pedig 433 MHz), amelyek támogatják az olyan vezeték nélküli protokollokat, mint a LoRa, a Neul, a SigFox, a Zigbee és a Z-Wave.

A kis fogyasztású nagy kiterjedésű hálózatokhoz használt eszközök mérete egyre zsugorodik, és ezek olcsó, kis méretű, kiváló teljesítményű antennákat igényelnek. Az antennák testelőfelületével kapcsolatos problémák különösen a 868 és a 915 MHz-es ISM-sávban okozhatnak gondot. Ezeket további áramkörök használatával, az eszközök nagyobb mértékű összeépítésével és pontosabb frekvenciahangolással lehet kezelni, amelyek mind növelik a fejlesztési időt és a költségeket. A tervezőknek olyan antennákra van szükségük, amelyek minimálisra csökkentik a testelőfelület okozta problémákat. Ezenkívül a kis fogyasztású nagy kiterjedésű hálózatokhoz használt LPWA-eszközök gyakran akkumulátorról működnek, és a lehető legnagyobb energiatakarékosságot igénylik. Az antenna kiválasztása és beépítése a hatékony tervezés kritikus pontja. Egy nem optimális antennamegoldás csökkentheti az akkumulátor üzemidejét, és rossz általános rendszerteljesítményt eredményezhet.

A megbízható és hatékony vezeték nélküli távközlési kapcsolat egyik kulcsa az optimalizált összeköttetés. Az antenna kiválasztása és beépítése jelentős hatással van az összeköttetésre. De egy jó hatásfokú és nagy teljesítményű antenna tervezése vagy kiválasztása, amely mind az összeköttetést, mind a testelőfelülettel kapcsolatos problémákat megoldja, összetett folyamat. Az összeköttetést befolyásoló antennajellemzők közé tartozik az impedancia, a visszaverődési csillapítás, a feszültségállóhullám-arány, a nyereség, a sugárzási karakterisztika és sok egyéb. A testelőfelülettel kapcsolatos problémákat minimálisra csökkentő, könnyen beépíthető, kis méretű és nagy teljesítményű antennák beazonosítása jelentősen csökkentheti a tervezési időt, és javíthatja a rendszer általános teljesítményét.

Ez a cikk egy alapszintű összeköttetés-számítási modellt ismertet, áttekinti az összeköttetést befolyásoló legfontosabb antennajellemzőket, és példákat mutat a Molex olyan antennáira, amelyekkel megoldhatók a testelőfelülettel kapcsolatos problémák, és amelyek segíthetnek az LPWA-eszközök összeköttetésének optimalizálásában.

Alapszintű összeköttetés-számítás

A vezeték nélküli rendszerekben az összeköttetés (link budget) a vevő által vett tényleges rádiófrekvenciás energiát méri. Az egyenlet a dBm-ben (decibelméter) mért adásteljesítményből indul ki, hozzáadja az esetleges nyereséget dB-ben (decibel), levonja a veszteségeket, szintén dB-ben, és a végeredmény a vett teljesítmény dBm-ben. A gyakorlati tervezés során a nyereség és a veszteség számos tényezőből áll össze.

Az összeköttetés mélyebb vizsgálata

Az összeköttetést tekintve az antenna teljesítménye az egyetlen olyan tényező, amely befolyásolja a nyereséget és a veszteségeket. Az antenna hatásfoka, a nyereség és a sugárzási karakterisztika az antenna teljesítményének három fontos jellemzője, és ezeket gyakran mérik a levegőn át (over-the-air) történő átvitelt mérő OTA-kamra segítségével (1. ábra). Az összeköttetést befolyásoló egyéb tényezők még a visszaverődési csillapítás vagy más néven illesztési veszteség (az S11 paraméter) és a feszültségállóhullám-arány (VSWR).

1. ábra: Az antenna hatásfokát, nyereségét és sugárzási karakterisztikáját OTA-kamra segítségével mérik. (A képen látható DUT felirat a tesztelés alatt álló eszközre (device under test) utal) (kép: Molex)

Az antenna sugárzási képességét (emissziós tényezőjét) az antenna hatásfoka határozza meg. Gyakran használják az átlagos hatásfokot, de a hatásfok nem egyetlen szám. Ez a görbe a vizsgált antennától függően lehet többé-kevésbé lapos is (2. ábra). Gyakran előfordul azonban, hogy egy laposabb hatásfokgörbével rendelkező antennának kisebb a legnagyobb hatásfoka, mint egy csúcsosabb hatásfokgörbével rendelkezőnek.

2. ábra: Az antennák hatásfokgörbéi nagyon eltérőek lehetnek: a bal oldali antenna hatásfokgörbéje laposabb, de a jobb oldaliénak 915 MHz-en kb. 10%-kal magasabb a csúcshatásfoka (kép: Molex)

A hatásfokhoz hasonlóan az antenna nyeresége is mérhető átlag- és csúcsértékként/legnagyobb értékként. Egy adott frekvencián az átlagos nyereséget a háromdimenziós tér összes szögértékére nézve mérik, míg a legnagyobb nyereség egyetlen munkapontra vonatkozik. Általában minél magasabb az átlagos nyereség, annál jobb.

Az antenna sugárzási karakterisztikája fontos tényező a nyereség meghatározásában. Az olyan elméleti antennát, amely minden irányba ugyanazzal az energiával sugároz, izotróp sugárzónak (vagy gömbsugárzónak) nevezzük, és a nyeresége 0 dB (egységesen). A valódi antennák sugárzási karakterisztikája nem izotróp, még az úgynevezett körsugárzó vagy irányítatlan antennáké sem, és hanem 3D síkokban mérve többé vagy kevésbé irányított (3. ábra). Egy 3 dB nyereségű antenna kétszer akkora hatásfokú az adott irányban, mint egy izotróp (gömbsugárzó) antenna. Egy ekkora nyereség az adott irányban megduplázza az adó teljesítményét, illetve a vevő érzékenységét.

3. ábra: A sugárzási karakterisztikák a különböző antennakialakítások esetén jelentősen eltérőek, és fontosak lehetnek az összeköttetés kiszámításánál. A képen látható karakterisztikákat adó mindkét antenna körsugárzó (irányítatlan) antennaként van megnevezve (kép: Molex)

A sugárzási karakterisztikát befolyásolja az antenna kialakítása és a környezet is. Az adatlapon szereplő méréseket általában szabad térben, környezeti zavaró hatások nélküli környezetben végzik. A tényleges antennák esetében a csúcsnyereség 1–2 dB-lel csökken az izotróp (dBi) értékhez képest, mert a sugárzási karakterisztika a közeli alkatrészek hatására megváltozik.

A visszaverődési csillapítás (S11) és a feszültségállóhullám-arány (VSWR) az antennáról a rádiófrekvenciás áramkörbe visszavert energia nagyságát méri, és a kisebb értékek a jobbak (4. ábra). Az S11 ≤ –6 dB vagy a VSWR ≤ 3 értéket gyakran tekintik a minimálisan elfogadható teljesítményszintnek. Ha az S11 = 0 dB, akkor az összes teljesítmény visszaverődik, és az antenna semmit sem sugároz ki. Ha pedig az S11 = –10 dB, és 3 dB teljesítmény jut az antennára, akkor –7 dB a visszavert teljesítmény. Az antenna a maradék energiát használja fel.

4. ábra: A jó hatásfokú antenna visszaverődési csillapítása (jobbra) 915 MHz-en körülbelül –14 dB, míg a rosszabb hatásfokú, laposabb hatásfokgörbéjű antenna visszaverődési csillapítása 915 MHz-en körülbelül –10 dB (kép: Molex)

A feszültségállóhullám-arány a visszaverődési együttható függvénye. A visszaverődési csillapításhoz hasonlóan a kisebb feszültségállóhullám-arány (kisebb VSWR-érték) is jobb antennát jelez. A feszültségállóhullám-arány legkisebb lehetséges értéke 1,0, ekkor az antennáról egyáltalán nem verődik vissza teljesítmény. Az impedanciaillesztés az S11 és a VSWR érték minimálisra csökkentésére használható. Az impedanciaillesztés az antenna és a rádiófrekvenciás áramkör közötti tápvonal módosítását jelenti a legnagyobb energiaátvitel növelése érdekében. Az impedanciaeltérés (hibás impedanciaillesztés) azt eredményezi, hogy az rádiófrekvenciás teljesítmény egy részét az antenna nem fogadja. A tápvonal és az antenna impedanciájának pontos illesztése azt eredményezi, hogy az összes rádiófrekvenciás teljesítmény eljut az antennára.

Egyes antennák impedanciája 50 Ω, és nincs hozzájuk szükség illesztőhálózatra. A legtöbb antenna esetében azonban az antenna teljesítményének optimalizálásához impedanciaillesztő hálózatra van szükség a tápvonalban. A több frekvenciasávban használható antennák esetében általában szükség van illesztőhálózatokra. Az illesztőhálózat, amennyiben szükség van rá, kondenzátorok, tekercsek és ellenállások különböző kombinációiból állhat.

Az antenna teljesítményének növelése

Az alapantenna pusztán egy adott hosszúságú vezető, de az antenna teljesítményének növelése érdekében további elemekkel lehet kiegészíteni. Ilyen például a Molex cég MobliquA™ antennatechnikája, amely sávszélesség-növelő megoldásokat tartalmaz (5. ábra). A MobliquA technikát úgy tervezték, hogy növelje azt a frekvenciatartományt, amelyen belül a visszaverődési csillapítás elfogadható. Ezt gyakran impedancia-sávszélességnek nevezik. Ez a technika 60–70%-kal megnövelheti az impedancia-sávszélességet anélkül, hogy a sugárzási hatásfok csökkenne, vagy az antenna mérete növekedne. A MobliquA technikát használva egy 868 MHz-re vagy 915 MHz-re tervezett ISM-antenna akár 75%-kal kisebb térfogatú is lehet, mint a hagyományos konstrukciók, és nincs szükség drága áramkörökre és frekvenciahangolásra, amelyek a testelőfelülettel kapcsolatos problémák megoldásához szükségesek.

5. ábra: A Molex MobliquA technikáját úgy tervezték, hogy megnövelje az impedancia-sávszélességet, és nagyfokú védettséget biztosítson fémtárgyaknak az antenna terébe történő behelyezésével szemben (kép: Molex)

A MobliquA technika lehetővé teszi a rádiófrekvenciásan leválasztott vagy földelt alkatrészek, például földelt csatlakozóház használatát. Jó védettséget biztosít az antenna terébe behelyezett fém alkatrészek ellen. A MobliquA egyedi betáplálási megoldásai az antennaelemek közvetlen testelésével kombinálva jobb elektrosztatikus kisülés (ESD) elleni védelmet biztosítanak az rádiófrekvenciás bemeneti oldal számára.

Antennabeépítés

Míg a fent tárgyalt villamos jellemzők mindegyike fontos szempont az antenna beépítésénél, ott van még az antenna mechanikus csatlakoztatásának és a rendszerbe való beépítésének kérdése is. Erre több lehetőség is van. Egyes antennákat például úgy terveztek, hogy a rendszerbe forrasszák őket, mások pedig koaxkábellel és -csatlakozóval vannak a rendszerhez csatlakoztatva. A következő két szakasz az irányítatlan (körsugárzó) antennák néhány jellemzőjét mutatja be.

Rugalmas ISM-antenna koaxkábellel és -csatlakozóval

A 868/915 MHz-es kétsávos ISM-antennát igénylő készülékekhez a tervezők használhatják a Molex 2111400100 jelű antennáját (6. ábra). Ez a monopólantenna 38 mm × 10 mm × 0,1 mm méretű, rugalmas polimer anyagból készült, és 100 mm hosszú, 1,13 mm külső átmérőjű mikrokoaxkábellel és MHF-kompatibilis U.FL csatlakozóval van ellátva. Ez egy lehámozva felragasztható eszköz, és bármilyen nem fém felületre felragasztható. Az antenna 2 W rádiófrekvenciás teljesítményt képes kezelni, és az üzemi hőmérséklet-tartománya –40 °C és +85 °C között van. A sorozat többi antennája 50, 150, 200, 250 és 300 mm-es kábelhosszú, de egyedi hosszúságú kábelekkel is gyártható.

6. ábra: Ez a kétsávos ISM-antenna rugalmas, és lehámozva felragasztható módon rögzíthető a rendszerben (kép: Molex)

Néhány lényeges műszaki adata:

• Hatásfok: 868 MHz-en > 55%, 902 MHz-en > 60%
• Csúcsnyereség: 868 MHz-en 0,3 dBi, 902 MHz-en 1,0 dBi
• Sugárzási karakterisztika: irányítatlan
• Visszaverődési csillapítás (S11): < –5 dB

Jó hatásfokú, a nyomtatott áramköri lapra forrasztható ISM-kerámiaantenna

Ha jobb hatásfokra van szükség, a tervezők használhatják a 2081420001 jelű kerámiaantennát, amelyet kifejezetten ipari, tudományos és gyógyászati (ISM) készülékekhez terveztek (7. ábra). Más-más illesztőhálózattal két különböző frekvenciasávban (868–870 MHz és 902–928 MHz) lehet használni. Az antenna –40 °C és +125 °C között használható, a mérete 9 mm × 3 mm × 0,63 mm.

7. ábra: Ez a kerámiaantenna más-más illesztőhálózattal két különböző frekvenciasávban (868–870 MHz és 902–928 MHz) használható (kép: Molex)

Néhány lényeges műszaki adata:

• Hatásfok: 868 MHz-en > 70%, 902 MHz-en > 65%
• Csúcsnyereség: 868 MHz-en 1,5 dBi, 902 MHz-en 1,8 dBi
• Sugárzási karakterisztika: irányítatlan
• Visszaverődési csillapítás (S11): 868 MHz-en < –10 dB, 902 MHz-en < –5 dB

Összegzés

Az antennák optimalizálása és beépítése a kis fogyasztású nagy kiterjedésű hálózatokban (LPWA) használt ipari, tudományos és gyógyászati (ISM) berendezésekbe – beleértve a LoRa, a Neul, a SigFox, a Zigbee és a Z-Wave IoT protokollt – fontos és összetett feladat. A jó vezeték nélküli teljesítmény és a hosszú akkumulátor-üzemidő biztosításához szükség van az összeköttetés optimalizálására. Ez számos villamos üzemi jellemzővel kapcsolatos kompromisszum megkötését és egy hatékony impedanciaillesztő hálózat kialakítását igényli. Az antenna kiválasztásakor figyelembe kell venni a működési környezetet, valamint az eszköz mechanikai és összekapcsolási követelményeit is.