Sådan vælger og anvender du antenner til IoT-enheder

Udbredelsen af IoT-enheder (”Internet of Things”) fortsætter med at accelerere og inspirere til design af innovative slutprodukter. Men designere skal huske, at uanset hvor meget kreativitet og indsats, der lægges i hardware og software, så spiller antennen en afgørende rolle. Hvis antennen ikke fungerer korrekt, går det alvorligt ud over produktets ydeevne.

Som grænseflade mellem enheden og det trådløse netværk er antennen en kritisk del af IoT-enhedens designproces. Den omdanner elektrisk energi til en elektromagnetisk radiofrekvens (R F) -bølge ved senderen og omdanner et indgående RF-signal til elektrisk energi ved modtageren. Designere kan optimere en anvendelses ydeevne ved at vælge en antenne, der opfylder de vigtigste tekniske parametre. Men de mange tilgængelige muligheder og overvejelser kan føre til forsinkede og dyre designcyklusser.

Denne artikel opsummerer antennens rolle i en trådløs IoT-enhed og beskriver kort de kritiske designkriterier, der påvirker valget af den. Artiklen bruger derefter eksempler på antenner fra Amphenol til at illustrere egnede valg til en Bluetooth-lavenergi (Low Energy/LE)- eller Wi-Fi-sensor, en IoT-aktivsporingsenhed med GNSS-satellitpositioneringsfunktionalitet, et Wi-Fi-adgangspunkt (AP) og en LoRa IoT-enhed.

Fortolkning af databladet

En antennes endelige ydeevne afhænger af tekniske beslutninger som f.eks. monteringsposition og design af impedanstilpasningsnetværk. En god implementering kræver en omhyggelig gennemgang af antennens datablad. Nøgleparametrene inkluderer:

• Udstrålingsmønster: Dette definerer grafisk, hvordan antennen udstråler (eller absorberer) radioenergi i 3D-rummet (figur 1).
• Maksimal effektoverførsel: God effektoverførsel mellem antenne og modtager sker, når transmissionslinjens impedans (Z₀) er afstemt med antennens (Z_a). Dårlig impedanstilpasning øger returtabet (return loss/RL). Standbølgeforholdet (VSWR) angiver impedanstilpasningen mellem transmissionslinjen og antennen (tabel 1). Høje VSWR-værdier resulterer i store effekttab. Et VSWR under 2 er generelt acceptabelt for et IoT-produkt.
• Frekvensrespons: Returtab (RL) afhænger af radiofrekvensen. Designere bør tjekke databladet for antennens frekvensrespons for at sikre, at RL er minimeret ved den tiltænkt driftsfrekvens (figur 2).
• Retningsbestemthed (directivity): Dette måler den retningsbestemte karakter af antennens udstrålingsmønster. Den maksimale retningsbestemthed er defineret som D_max.
• Effektivitet (η): Forholdet mellem den samlede udstrålede effekt (TRP eller P_rad) og indgangseffekten (P_in) beregnes ud fra formlen η = (Prad/Pin) * 100 %.
• Forstærkning: Dette beskriver, hvor meget effekt der transmitteres i retningen af den maksimale udstråling. Det refereres normalt til en isotropisk antenne med betegnelsen dBi. Den beregnes ud fra formlen Gain_max = η * D_maks.

Figur 1: Strålingsmønstre er grafiske repræsentationer af, hvordan antennen udstråler eller absorberer radioenergi i 3D-rummet. Datablade viser typisk den maksimale udstrækning i XY- og YZ-planerne, når antennen er monteret efter hensigten. (Billedkilde: Amphenol)

Tabel 1: VSWR angiver impedanstilpasningen mellem transmissionslinjen og antennen. Et VSWR under 2 er generelt acceptabelt for et IoT-produkt. (Tabelkilde: Steven Keeping)

Figur 2: VSWR og RL er afhængige af frekvensen. RL bør minimeres ved den tiltænkt driftsfrekvens. (Billedkilde: Amphenol)

Forøgelse af ydeevne

En antenne med dårlig ydeevne begrænser, hvor meget elektriske effekt der omdannes til udstrålet energi ved senderen, og hvor meget energi der høstes fra indkommende RF-signaler ved modtageren. Dårlig ydeevne i begge ender nedsætter det trådløse links rækkevidde.

Den primære faktor, der påvirker antennens ydeevne, er impedans. En betydelig uoverensstemmelse mellem antennens impedans (som er relateret til spænding og strøm ved indgangen) og impedansen af den spændingskilde, der driver antennen, resulterer i dårlig energioverførsel.

Et veldesignet impedanstilpasningskredsløb minimerer VSWR og efterfølgende effekttab ved at matche impedansen af senderens strømkilder med antennens. Impedansen er typisk 50 ohm (Ω) for et IoT-produkt med lav effekt.

Antennens placering har også stor indflydelse på slutproduktets sendeeffekt og modtagefølsomhed. For en intern antenne anbefaler designretningslinjerne, at den placeres øverst på IoT-enheden på printkortets kant og så langt som muligt fra andre komponenter, der kan generere elektromagnetisk interferens (EMI) under brugen. Impedanstilpasningskomponenter er en undtagelse, da de nødvendigvis skal være tæt på antennen. Printkortenes kontaktpuder og spor, der forbinder antennen med resten af kredsløbet, bør være de eneste kobberledere i et defineret afstandsområde (figur 3).

Figur 3: En printkortmonteret antenne skal placeres tæt på printkortets kant. Antennen skal også placeres væk fra andre komponenter (bortset fra dem, der bruges til impedanstilpasningskredsløbet) ved at indarbejde et frit område. (Billedkilde: Amphenol)

(For flere detaljer om retningslinjer for antennedesign, se "Sådan bruges indlejrede multibåndsantenner til at spare plads, kompleksitet og omkostninger i IoT-designs").

Antennetyper

At specificere antennen er en kritisk del af designprocessen for IoT-enheder. Antennen skal være optimeret til den trådløse målgrænseflades RF-bånd, for eksempel NB-IoT til flere bånd mellem 450 megahertz (MHz) og 2200 MHz, LoRa til 902 til 928 MHz i Nordamerika, Wi-Fi til 2,4 gigahertz (GHz) og 5 GHz og Bluetooth LE til 2,4 GHz.

Antenner anvender forskellige elektriske koncepter. Eksempler er monopol, dipol, sløjfe, inverteret F-antenne (IFA) og planar inverteret F-antenne (PIFA). Hver type passer til en bestemt anvendelse.

Der findes også enkelt-endede (single-ended) og differentielle antenner. Den enkelt-endede type er ubalanceret, mens differentielle antenner er balancerede. Enkelt-endede antenner modtager eller sender et signal med reference til jord, og den karakteristiske indgangsimpedans er typisk 50 Ω. Men fordi mange RF-IC'er har differentielle RF-porte, er det ofte nødvendigt med et transformationsnetværk, hvis man bruger en enkelt-endet antenne. Dette balun-netværk omdanner signalet fra balanceret til ubalanceret.

En differentialantenne sender ved hjælp af to komplementære signaler i hver sin leder. Da antennen er balanceret, er der ikke behov for en balun, når antennen bruges med RF-IC'er med differentielle RF-porte.

Endelig findes der antenner i forskellige former, f.eks. printplade-, chip- eller patch-, ekstern stav- og ledningsantenne. Figur 4 viser nogle anvendelseseksempler.

Figur 4: Der findes forskellige antenner, som passer til forskellige IoT-anvendelser. (Billedkilde: Amphenol)

Tilpasning af antennen til anvendelsen

Anvendelsen og produktets formfaktor bestemmer det endelige valg af antenne. Hvis et IoT-produkt f.eks. har begrænset plads, kan en printkort-antenne indbygges direkte i printkortets kredsløb. Disse antenner er et fremragende valg til 2,4 GHz-anvendelser som Bluetooth LE- eller Wi-Fi-sensorer i smart-hjemmeenheder, herunder belysning, termostater og sikkerhedssystemer. De tilbyder pålidelig RF-ydelse i en lavprofilarkitektur. Alligevel er printkort-antenner vanskelige at designe. Et alternativ er at købe printkort-antennen fra en kommerciel leverandør. Den kan derefter sættes fast på printkortet med en selvklæbende bagside.

Et eksempel på en antenne til printkort er Amphenols ST0224-10-401-A Wi-Fi-RF-sporantenne. Antennen har et retningsbestemt udstrålingsmønster i båndene 2,4 til 2,5 GHz og 5,15 til 5,85 GHz. Antennen måler 30 x 10 x 0,2 millimeter (mm) og har en impedans på 50 Ω. Dens RL er mindre end -10 decibel (dB) for begge frekvensområder, og dens maksimale forstærkning er 2,1 dB i forhold til isotropisk (dBi) i 2,4 GHz-båndet og 3,1 dBi i 5 GHz-båndet. Dens effektivitet er henholdsvis 77 og 71 % (figur 5).

Figur 5: ST0224-10-401-A Wi-Fi-sporantenne til printkort er effektiv i både 2,4- og 5 GHz-båndet. (Billedkilde: Amphenol)

En anden mulighed for pladsbegrænsede IoT-produkter er en chip-antenne. Automatiseret udstyr kan montere denne kompakte komponent direkte på et printkort. Antennen passer til trådløse IoT-anvendelser baseret på Bluetooth LE eller Wi-Fi. De vigtigste fordele ved en chip-antenne er pladsbesparelser, reducerede produktionsomkostninger og en forenklet designproces.

Som beskrevet ovenfor påvirkes en chip-antennes ydeevne af faktorer som printkortets layout og omgivende komponenter, men fremskridt inden for antenneteknologi har resulteret i meget effektive enheder. Chip-antenner passer til forskellige anvendelser, fra smartphones og tablets til smart-hjemmesystemer og industrielle sensorer.

Et eksempel er Amphenols ST0147-00-011-A, en 2,4 GHz chip-antenne til overflademontering på printkort. Antennen har et retningsbestemt udstrålingsmønster i frekvensbåndet 2,4 til 2,5 GHz (figur 6). Antennen måler 3,05 x 1,6 x 0,55 mm og har en impedans på 50 Ω. Dens RL er mindre end -7 dB, dens maksimale forstærkning er 3,7 dBi, og dens gennemsnitlige effektivitet er 80 %.

Figur 6: ST0147-00-011-A-chip-antennen til overflademontering er kompakt og udviser et rundstrålende udstrålingsmønster i XY-planet. (Billedkilde: Amphenol)

Ligesom printkort-antenner er patch-antenner kompakte og kan sættes direkte på printkortet. En typisk anvendelse er en antenne til en sporingsenhed for aktiver eller andre enheder med GNSS-kapacitet (Global Navigation Satellite System). GNSS-patchantenner består af et patch-element på et dielektrisk substrat. Høj effektivitet sikrer, at antennen opfanger svage GNSS-signaler fra flere satellitter.

Et eksempel er Amphenols ST0543-00-N04-U passive GNSS-patchantenne til anvendelse i frekvensbåndene 1,575 og 1,602 GHz. Antennen måler 18 x 18 x 4 mm og har en impedans på 50 Ω. Dens RL er mindre end -10 decibel (dB) for begge frekvensområder, og dens maksimale forstærkning er -0,5 dB i 1,575 GHz-båndet og 1,0 dBi i 1,602 GHz-båndet. Dens effektivitet er henholdsvis 80 og 82 %.

Eksterne stav-antenner, som f.eks. antennen på et Wi-Fi AP, monteres uden på IoT-enheder for at optimere radiofunktionen. En ekstern stav-antenne udvider signalets rækkevidde, forbedrer signalkvaliteten og overvinder forhindringer eller interferens. De er nyttige i miljøer med svage eller blokerede signaler, som f.eks. dem, der dæmpes af vægge, lofter og møbler i hjemmet. Der findes lige og drejbare stav-designs, hver med standard RF-grænsefladeforbindelser som SMA, RP-SMA og N-Type.

Et eksempel er Amphenols ST0226-30-002-A 2,4 og 5 GHz SMA RF stav-antenne. Antennen er en god løsning til Wi-Fi-AP'er og settop-bokse (STB'er). Antennen har et rundstrålende udstrålingsmønster i båndene 2,4 til 2,5 GHz og 5,15 til 5,85 GHz. Antennen måler 88 x 7,9 mm i diameter og har en impedans på 50 Ω. Dens RL er mindre end -10 dB for begge frekvensområder, og dens maksimale forstærkning er 3,0 dBi i 2,4 GHz-båndet og 3,4 dBi i 5 GHz-båndet. Dens effektivitet er henholdsvis 86 og 75 %. Antennen fås med enten et SMA- eller RP-SMA-tilslutningsstik (figur 7).

Figur 7: Den eksterne stav-antenne ST0226-30-002-A til Wi-Fi-AP'er fås med enten SMA- eller RP-SMA-tilslutningsstik. (Billedkilde: Amphenol)

Spiralantenner er en billig og enkel løsning til sub-GHz-anvendelser som LoRa IoT-enheder, der opererer i 868 MHz-frekvens-båndet. Antennerne er typisk loddet direkte på printkortet og har en god ydeevne. Nogle af ulemperne er, at de er store, især når de fungerer ved lave frekvenser, og at de har en relativt lav effektivitet sammenlignet med andre antennealternativer.

Et eksempel er Amphenols ST0686-10-N01-U 862 MHz RF-antenne (figur 8). Denne spiralantenne fungerer i frekvensbåndet 862 til 874 MHz og har en impedans på 50 Ω. Antennen har gennemgående loddemontage med en maksimal højde på 38,8 mm. Den har en RL på mindre end -9,5 dB, en maksimal forstærkning på 2,5 dBi og en gennemsnitlig effektivitet på 58 %.

Figur 8: ST0686-10-N01-U-spiralantenne er en god mulighed for LoRa IoT-anvendelser. (Billedkilde: Amphenol)

Konklusion

Trådløse IoT-enheders radioydelse afhænger af antennevalget, så designere skal vælge omhyggeligt blandt en bred vifte af antennedesigns fra leverandører som Amphenol for at matche anvendelsen bedst muligt. Datablade er afgørende for udvælgelsen, men hvis man følger de etablerede retningslinjer for design, får man den bedste trådløse ydelse.