Optimering af antenneintegration i ISM LPWA-enheder

Den fortsatte udbredelse af tingenes internet (IoT) i industri-, forbruger- og medicinske enheder samt de nye intelligente byer og intelligente bygninger driver den hastigt stigende brug af trådløse LPWA-netværk (Low Power Wide Area) frem. Det gælder især i de industrielle, videnskabelige og medicinske (ISM) radiofrekvensbånd (RF) på 915 MHz i USA.S, 868 og 169 MHz i Europa og 433 MHz i Asien, der understøtter trådløse protokoller som LoRa, Neul, SigFox, Zigbee og Z-Wave.

LPWA-enheder bliver stadig mindre og har brug for billige og kompakte antenner med overlegen ydeevne. Problemer med antennernes jordplan kan være særligt problematiske i ISM-båndene 868 og 915 MHz. De kan håndteres ved hjælp af ekstra kredsløb, øget integration af enheder og mere præcis frekvensindstilling, hvilket alt sammen kan øge udviklingstiden og omkostningerne. Designere har brug for antenner, der minimerer problemerne med jordplanet. Desuden er LPWA-enheder ofte batteridrevne og kræver maksimal energieffektivitet. Valget og integrationen af antennen er et afgørende aspekt af et effektivt design. En mindre end optimal antenneløsning kan reducere batteriets levetid og resultere i dårlig samlet systemydelse.

Et optimeret linkbudget er en nøgle til en pålidelig og effektiv trådløs kommunikationsinterface. Valg og integration af antenner har en betydelig indvirkning på forbindelsesbudgettet. Men det er en kompleks proces at designe eller vælge en effektiv og højtydende antenne, der både tager hensyn til forbindelsesbudget og jordplanet. Antennespecifikationer, der har indflydelse på forbindelsesbudgettet, omfatter impedans, returtab, forhold mellem stående bølger, forstærkning, strålingsmønster m.m. Identifikation af let integrerbare, kompakte og højtydende antenner, der er lette at integrere, og som minimerer jordplanproblemer, kan reducere konstruktionstiden betydeligt og forbedre systemets samlede ydeevne.

Denne artikel beskriver en grundlæggende model for linkbudget, gennemgår de vigtigste antennespecifikationer, der påvirker linkbudgettet, og præsenterer eksempler på antenner fra Molex, der kan løse problemer med jordplanet og hjælpe med at optimere linkbudgetterne i LPWA-enheder.

Budget for grundlæggende forbindelser

Et linkbudget i et trådløst system måler den effektive RF-energi, der ankommer til modtageren. Ligningen starter med den transmitterede effekt i decibelmeter (dBm), lægger eventuelle forstærkninger i decibel (dB) til, trækker tab, også i dB, fra og når frem til den modtagne effekt i dBm. I en praktisk konstruktion er der mange faktorer, der bidrager til gevinster og tab.

Dyk dybere ned i linkbudgetter

Antenneydelsen er den eneste faktor, der har indflydelse på gevinster og tab i et linkbudget. Antenneeffektivitet, forstærkning og strålingsmønster er tre vigtige aspekter af antennens ydeevne, og de måles ofte ved hjælp af et OTA-kammer (OTA-kammer) (figur 1). Andre faktorer, der kan påvirke forbindelsesbudgetterne, er returtab (S11-parameteren) og VSWR (Voltage Standing Wave Ratio).

Figur 1: Antenneeffektivitet, forstærkning og strålingsmønster måles ved hjælp af et OTA-kammer. (DUT i billedet henviser til Device Under Test) (Billedkilde: Molex)

Antenneeffektiviteten bestemmer en antennes emissivitet. Gennemsnitlig effektivitet anvendes ofte, men effektivitet er ikke et enkelt tal. Det er en kurve, der kan være mere eller mindre flad, afhængigt af den specifikke antenne, der er tale om (figur 2). En antenne med en fladere effektivitetskurve vil ofte have en lavere maksimal effektivitet end en antenne med en mere spids effektivitetskurve.

Figur 2: Antenneeffektivitetskurver kan variere meget: Antennen til venstre har en fladere effektivitetskurve, men antennen til højre har ca. 10 % højere maksimal effektivitet ved 915 MHz. (Billedkilde: Molex)

Ligesom effektiviteten kan antenneforstærkning måles som en gennemsnitlig værdi eller som en top/maksimumværdi. Ved en given frekvens måles den gennemsnitlige forstærkning på tværs af alle vinkler i det tredimensionelle rum, mens den maksimale forstærkning er et enkelt driftspunkt. Generelt gælder det, at jo højere den gennemsnitlige gevinst er, jo bedre.

En antennes strålingsmønster er en vigtig faktor for at bestemme forstærkningen. En teoretisk antenne, der udstråler den samme energi i alle retninger, kaldes en isotropisk radiator og har en forstærkning på 0 dB (enhed). Reelle antenner, selv såkaldte omnidirektionelle antenner, har ikke-isotropiske strålingsmønstre og kan være mere eller mindre retningsbestemt målt i 3D-planer (figur 3). En antenne med en forstærkning på 3 dB er dobbelt så effektiv i en given retning som en isotropisk radiator. Det fordobler senderens effekt eller modtagerens følsomhed i den pågældende retning.

Figur 3: Strålingsmønstre er forskellige for forskellige antennedesigns og kan være vigtige i forbindelse med beregninger af linkbudget. Begge disse antenner er specificeret med omnidirektionelle strålingsmønstre. (Billedkilde: Molex)

Antennens udformning og det omgivende miljø påvirker strålingsmønstret. Ved typiske målinger i databladet anvendes et frirumsmiljø uden omgivende interferens. I faktiske implementeringer vil den maksimale forstærkning blive reduceret med 1 - 2 decibel i forhold til isotropisk (dBi), da strålingsmønsteret ændres på grund af de omgivende komponenter.

Returtab (S11) og VSWR (Voltage Standing Wave Ratio) er relaterede målinger af den mængde energi, der reflekteres fra antennen tilbage til RF-kredsløbet, og mindre værdier er bedre (figur 4). S11 ≤ -6dB eller VSWR ≤ 3 anses ofte for at være acceptable minimumsniveauer. Hvis S11 = 0 dB, reflekteres al effekt, og ingen udstråles. Eller, hvis S11 = -10 dB, er den reflekterede effekt -7 dB, når der leveres 3 dB effekt til antennen. Antennen bruger den resterende del af strømmen.

Figur 4: Returtab for antennen med høj effektivitet (til højre) er ca. -14 dB ved 915 MHz, mens returtabet for antennen med lavere effektivitet med den fladere effektivitetskurve er ca. -10 dB ved 915 MHz. (Billedkilde: Molex)

VSWR er en funktion af refleksionskoefficienten. Ligesom returtab er en mindre VSWR et tegn på en bedre antenne. Den mindste værdi af VSWR er 1,0, hvor der ikke reflekteres nogen effekt fra antennen. Impedanstilpasning kan bruges til at minimere S11 og VSWR. Impedanstilpasning indebærer ændring af transmissionsledningen mellem antennen og RF-kredsløbet for at forbedre den maksimale energioverførsel. En impedansfejl resulterer i, at en del af RF-effekten ikke accepteres af antennen. En nøjagtig overensstemmelse mellem transmissionslinjens impedans og antennens impedans resulterer i, at al RF-effekt modtages på antennen.

Nogle antenner har en impedans på 50 Ω og har ikke brug for et tilpasningsnetværk. De fleste antenner kræver et impedanstilpasningsnetværk i transmissionsledningen for at optimere antennens ydeevne. Der er generelt behov for tilpasningsnetværk med antenner, der understøtter flere frekvensbånd. Et tilpasningsnetværk kan bestå af forskellige kombinationer af kondensatorer, induktorer eller modstande, hvis det er nødvendigt.

Forbedring af antennens ydeevne

En basisantenne består af en leder af en given længde, men der kan tilføjes yderligere elementer for at forbedre antennens ydeevne. Et eksempel er MobliquA™-antenneteknologien fra Molex, der indeholder båndbreddeforbedrende teknologier (Figur 5). MobliquA-teknologien er designet til at forbedre det frekvensområde, hvor returtabet er acceptabelt, hvilket ofte kaldes "impedansbåndbredden". Denne teknologi kan forbedre impedansbåndbredden med 60 - 70 % uden at gå på kompromis med strålingseffektiviteten eller øge antennens størrelse. En ISM-antenne designet til 868 MHz og 915 MHz ved hjælp af MobliquA-teknologi kan have op til 75 % mindre volumen end konventionelle designs og eliminerer behovet for dyre kredsløb og frekvensafstemning, der er nødvendige for at løse problemer med afhængighed af jordplanet.

Figur 5: Molex' MobliquA-teknologi er designet til at forbedre impedansbåndbredden og give en høj grad af immunitet over for indføring af metalgenstande i antennevolumenet. (Billedkilde: Molex)

MobliquA-teknologien gør det muligt at anvende RF-afkoblede eller jordede dele, f.eks. et jordet stikhus. Den giver god immunitet mod indføring af metaldele i antennens volumen. Dens unikke fødeteknikker kombineret med en direkte jording af antenneelementerne giver forbedret ESD-beskyttelse (elektrostatisk udladning) for RF-frontenden.

Integration af antenner

Mens alle de elektriske specifikationer, der er beskrevet ovenfor, er vigtige aspekter af antenneintegration, er der også spørgsmålet om mekanisk tilslutning og integration af antennen i systemet. Der er flere muligheder. Nogle antenner er f.eks. beregnet til at blive loddet ind i systemet, mens andre omfatter et koaksialkabel og et stik, der er fastgjort til systemet. I de følgende to afsnit beskrives nogle af specifikationerne for hver enkelt omnidirectionale antenne.

Fleksibel ISM-antenne med koaksial og konnektor

Til applikationer, der har brug for en 868/915 MHz dual-band ISM-antenne, kan designere anvende model 2111400100 fra Molex (Figur 6). Denne monopolantenne måler 38 x 10 x 0,1 mm, er fremstillet af et fleksibelt polymermateriale og har et 100 mm langt mikrokoaksialkabel med en udvendig diameter på 1,13 mm og et U.FL-stik, der er MHF-kompatibelt. Det er "peel-and-stick" og kan fastgøres på enhver ikke-metaloverflade. Den kan håndtere 2 W RF-effekt og har et driftstemperaturområde fra -40 til +85 °C. Andre antenner i denne serie har 50, 150, 200, 250 og 300 mm kabellængde, og der kan fremstilles tilpassede længder.

Figur 6: Denne dual-band ISM-antenne er fleksibel og monteres i systemet ved hjælp af et "peel-and-stick"-klæbemiddel. (Billedkilde: Molex)

Nogle af de vigtigste specifikationer omfatter:

• Effektivitet: >55 % ved 868 MHz, >60 % ved 902 MHz
• Spidsforstærkning: 0,3 dBi ved 868 MHz, 1,0 dBi ved 902 MHz
• Udstrålingsmønster: Omnidirektional
• Returtab (S11): < -5 dB

Høj effektiv keramisk ISM-antenne med høj effektivitet loddes på PCB'et

Når der er behov for højere effektivitet, kan designere bruge en 2081420001 keramisk antenne, der er specielt designet til ISM-applikationer (Figur 7). Different matching networks can be used in two different frequency bands; 868 - 870MHz and 902 - 928 MHz. Den er beregnet til drift fra -40 til +125 °C og måler 9 x 3 x 0,63 mm.

Figur 7: Med forskellige tilpasningsnetværk kan denne keramiske antenne anvendes i to forskellige frekvensbånd: 868 - 870 MHz og 902 - 928 MHz. (Billedkilde: Molex)

Nogle af de vigtigste specifikationer omfatter:

• Effektivitet: 70 % ved 868 MHz, 65 % ved 902 MHz
• Spidsforstærkning: 1,5 dBi ved 868 MHz, 1,8 dBi ved 902 MHz
• Udstrålingsmønster: Omnidirektional
• Returtab (S11): < -10 ved 868 MHz, < -5 ved 902 MHz

Sammenfatning

Antenneoptimering og integration i LPWA ISM-applikationer, herunder LoRa-, Neul-, SigFox-, Zigbee- og Z-Wave IoT-protokoller, er en vigtig og kompleks opgave. Det er nødvendigt at optimere forbindelsesbudgettet for at sikre god trådløs ydeevne og lang batterilevetid. Det omfatter adskillige afvejninger af elektriske driftsspecifikationer og udvikling af et effektivt impedanstilpasningsnetværk. Ved valg af antenne skal der også tages hensyn til driftsmiljøet og enhedens mekaniske og forbindelsesmæssige krav.