Slik velges og brukes antenner for IoT-enheter

Utbredelsen av tingenes Internett (IoT)-enheter fortsetter å akselerere og inspirere utviklingen av innovative sluttprodukter. Utviklere må imidlertid huske at uansett hvor mye kreativitet og innsats som dedikeres til maskinvaren og programvaren, spiller antennen en sentral rolle. Hvis antennen ikke fungerer som den skal, svekkes produktytelsen kraftig.

Antennen er grensesnittet mellom enheten og det trådløse nettverket, og er en viktig del av IoT-enhetens utviklingsprosess. Den konverterer elektrisk energi til en elektromagnetisk radiofrekvensbølge (RF) ved senderen, og konverterer et innkommende RF-signal til elektrisk energi ved mottakeren. Utviklere kan optimalisere ytelsen til en utrustning ved å velge en antenne som oppfyller viktige tekniske parametere. De mange tilgjengelige alternativene og faktorene kan imidlertid føre til forsinkede og kostbare konstruksjonssykluser.

Denne artikkelen oppsummerer rollen til en antenne i en trådløs IoT-enhet og beskriver kort de viktige konstruksjonskriteriene som påvirker valget. Artikkelen bruker deretter eksempelantenner fra Amphenol til å illustrere egnede valg for en sensor med lavenergi-Bluetooth (BLE – Bluetooth Low Energy) eller Wi-Fi, en IoT-utstyrssporingsenhet med funksjonalitet for GNSS-satellittposisjonering, et Wi-Fi-tilgangspunkt (AP) og en LoRa IoT-enhet.

Tolking av databladet

Antennens endelige ytelse avhenger av tekniske beslutninger, for eksempel monteringsposisjon og utformingen av impedanstilpasningsnettverket. En god implementering krever en grundig gjennomgang av antennens datablad. Viktige parametere omfatter:

• Strålingsmønster: Dette definerer grafisk hvordan antennen utstråler (eller absorberer) radioenergi i 3D-rom (figur 1).
• Maksimal energioverføring: God energioverføring mellom antennen og mottakeren skjer når overføringslinjens impedans (Z₀) er tilpasset impedansen til antennen (Z_a). Dårlig impedanstilpasning øker returdempning (RL – return loss). Ståbølgeforholdet (VSWR – voltage standing wave ratio) angir impedanstilpasningen mellom overføringslinjen og antennen (tabell 1). Høye VSWR-verdier resulterer i høye effekttap. En VSWR på under 2 er vanligvis akseptabel for et IoT-produkt.
• Frekvensrespons: Returdempning (RL – return loss) avhenger av radiofrekvensen. Utviklere bør sjekke databladet for å finne antennens frekvensrespons for å sikre at returdempingen (RL) er minimert ved den tiltenkte driftsfrekvensen (figur 2).
• Retningsvirkning: Denne måler antennens retningsbestemte strålingsmønster. Maksimal retningsvirkning er definert som D_max.
• Virkningsgrad (η): Forholdet mellom total utstrålt effekt (TRP, eller P_rad) og inngangseffekt (P_in) beregnes fra formelen η = (Prad/Pin) * 100 %.
• Forsterkning: Denne beskriver hvor mye effekt som overføres i retningen av spisstråling. Den refereres vanligvis til en isotropisk antenne med en betegnelse på dBi. Den beregnes fra formelen Gain_max = η * D_max.

Figur 1: Strålingsmønstre representerer grafisk hvordan antennen utstråler eller absorberer radioenergi i 3D-rom. Datablad viser vanligvis den maksimale utstrekningen i XY- og YZ-planene når antennen er montert som tiltenkt. (Bildekilde: Amphenol)

Tabell 1: VSWR angir impedanstilpasningen mellom overføringslinjen og antennen. En VSWR på under 2 er vanligvis akseptabel for et IoT-produkt. (Tabellkilde: Steven Keeping)

Figur 2: VSWR og RL er avhengig av frekvens. RL bør minimeres ved den tiltenkte driftsfrekvensen. (Bildekilde: Amphenol)

Forsterkning av ytelsen

En antenne med dårlig ytelse begrenser hvor mye elektrisk strøm som omdannes til utstrålt energi ved senderen, og hvor mye energi som høstes fra innkommende RF-signaler ved mottakeren. Svak ytelse i begge ender reduserer rekkevidden til den trådløse forbindelsen.

Hovedfaktoren som påvirker antennens ytelse, er impedans. En betydelig uoverensstemmelse mellom antennens impedans (som er relatert til spenning og strøm ved inngangen) og impedansen til spenningskilden som driver antennen, resulterer i svak energioverføring.

En velkonstruert impedanstilpasningskrets minimerer VSWR og påfølgende effekttap ved å tilpasse impedansen til senderens strømkilder med antennens impedans. Impedansen er vanligvis 50 ohm (Ω) for et IoT-produkt med lavt strømforbruk.

Antennens posisjon påvirker også sluttproduktets sendeeffekt og mottaksfølsomhet dramatisk. For en intern antenne, anbefales en plassering på toppen av IoT-enheten på kretskortets inngangspunkt (edge), og så mye som mulig vekk fra andre komponenter som kan generere elektromagnetisk interferens (EMI) under drift. Impedanstilpasningskomponenter er et unntak, siden disse, av nødvendighet, er plassert i nærheten av antennen. Kretskortets kontaktflater og sporene som kobler antennen til resten av kretsen, skal være de eneste kobberlederne i et definert klaringsområde (figur 3).

Figur 3: En kretskortmontert antenne skal plasseres i nærheten av kretskortets inngangspunkt. Antennen bør også plasseres vekk fra andre komponenter (bortsett fra de som brukes for impedanstilpasningskretsen) ved å inkorporere et klaringsområde. (Bildekilde: Amphenol)

(Hvis du vil ha mer informasjon om retningslinjer for antennekonstruksjon, kan du se «Slik kan integrerte flerbåndsantenner brukes til å redusere plassbruk, kompleksitet og kostnader i IoT-konstruksjoner».)

Antennetyper

Å spesifisere antennen er en viktig del av IoT-enhetens utviklingsprosess. Antennen bør optimaliseres for det trådløse målgrensesnittets RF-bånd, for eksempel NB-IoT for flere bånd mellom 450 megahertz (MHz) og 2200 MHz, LoRa for 902 til 928 MHz i Nord-Amerika, Wi-Fi for 2,4 gigahertz (GHz) og 5 GHz og lavenergi-Bluetooth for 2,4 GHz.

Antenner benytter forskjellige elektriske konsepter. Eksempler er monopol, dipol, sløyfe, invertert F-antenne (IFA) og plan invertert F-antenne (PIFA). Hver av disse er egnet for et bestemt bruksområde.

Det finnes også ensidig jordede (single-ended) antenner og differensialantenner. Den ensidig jordede typen er ubalansert, mens differensialantenner er balansert. Ensidig jordede antenner mottar eller sender et signal referert til jord, og den karakteristiske inngangsimpedansen er vanligvis 50 Ω. Men fordi mange RF IC-er har differensielle RF-porter, er et transformasjonsnettverk ofte nødvendig hvis en ensidig jordet antenne brukes. Dette balun-nettverket forvandler signalet fra balansert (balanced) til ubalansert (unbalanced).

En differensialantenne sender ved å bruke to komplementære signaler, hver i sin egen leder. Fordi antennen er balansert, er det ikke nødvendig med noen balun når antennen brukes med RF IC-er med differensielle RF-porter.

Til slutt kommer antenner i flere formfaktorer, for eksempel kretskort, brikke eller patch, ekstern pisk og ledning. Figur 4 illustrerer noen typiske bruksområder.

Figur 4: Ulike antenner er tilgjengelige for bruk i ulike IoT-utrustninger. (Bildekilde: Amphenol)

Tilpasse antennen til utrustningen

Formfaktoren til utrustningen og produktet avgjør det endelige valget av antenne. Hvis, for eksempel, et IoT-produkt er plassbegrenset, kan en kretskortantenne inkorporeres direkte i kretskortkretsen. Disse antennene er et utmerket valg for 2,4 GHz-utrustninger som sensorer med lavenergi-Bluetooth eller Wi-Fi i smarthjem-enheter, for eksempel belysning, termostater og sikkerhetssystemer. De tilbyr pålitelig RF-ytelse i en arkitektur med lav profil. Likevel er kretskortantenner vanskelige å konstruere. Et alternativ er å innkjøpe kretskortantennen fra en kommersiell leverandør. Den kan da festes til kretskortet ved å bruke en selvklebende bakside.

Et eksempel på en kretskortantenne, er Amphenols ST0224-10-401-A Wi-Fi RF-antenne for kretskortspor. Antennen tilbyr et retningsuavhengig strålemønster i 2,4 til 2,5 GHz-båndet og i 5,15 til 5,85 GHz-båndet. Antennen måler 30 x 10 x 0,2 millimeter (mm) og har en impedans på 50 Ω. RL er mindre enn –10 desibel (dB) for begge frekvensområdene, og spissforsterkningen er 2,1 dB relativt til isotropisk (dBi) i 2,4 GHz-båndet og 3,1 dBi i 5 GHz-båndet. Virkningsgraden er henholdsvis 77 og 71 % (figur 5).

Figur 5: ST0224-10-401-A Wi-Fi-kretskortsporantennen er virkningsfull i både 2,4 og 5 GHz-båndet. (Bildekilde: Amphenol)

Et annet alternativ for plassbegrensede IoT-produkter er en brikkeantenne. Automatisert utstyr kan feste denne kompakte komponenten direkte på et kretskort. Antennen er egnet for trådløse IoT-utrustninger basert på lavenergi-Bluetooth eller Wi-Fi. De viktigste fordelene til en brikkeantenne er plassbesparelsen, reduserte produksjonskostnader og en enklere konstruksjonsprosess.

Som beskrevet ovenfor, påvirkes ytelsen til en brikkeantenne av faktorer som kretskortlayout og omkringliggende komponenter, men fremskritt innen antenneteknologi har resultert i svært virkningsfulle enheter. Brikkeantenner er egnet for diverse utrustninger, fra smarttelefoner og nettbrett til smarthjemsystemer og industrisensorer.

Et eksempel er ST0147-00-011-A fra Amphenol, en 2,4 GHz overflatemontert brikkeantenne for kretskort. Antennen tilbyr et retningsuavhengig strålemønster i 2,4 til 2,5 GHz-båndet (figur 6). Antennen måler 3,05 x 1,6 x 0,55 mm og har en impedans på 50 Ω. RL er mindre enn –7 dB, spissforsterkningen er 3,7 dBi og den gjennomsnittlige virkningsgraden er 80 %.

Figur 6: Den overflatemonterte brikkeantennen ST0147-00-011-A er kompakt og viser et retningsuavhengig strålemønster i XY-planet. (Bildekilde: Amphenol)

I likhet med kretskortantenner, er patchantenner kompakte og kan festes direkte på kretskortet. Et typisk bruksområde er en antenne for en utstyrssporingsenhet eller andre enheter med GNSS-funksjonalitet (GNSS – Global Navigation Satellite System). GNSS-patchantenner omfatter et patchelement på et dielektrisk substrat. Høy virkningsgrad sikrer at antennen plukker opp svake GNSS-signaler fra flere satellitter.

Et eksempel er ST0543-00-N04-U, en passiv GNSS-patchantenne fra Amphenol for drift i frekvensbåndene 1,575 og 1,602 GHz. Antennen måler 18 x 18 x 4 mm og har en impedans på 50 Ω. RL er mindre enn –10 desibel (dB) for begge frekvensområdene, og spissforsterkningen er –0,5 dB i 1,575 GHz-båndet og 1,0 dBi i 1,602 GHz-båndet. Virkningsgraden er henholdsvis 80 og 82 %.

Eksterne piskantenner, for eksempel antennen på et Wi-Fi-tilgangspunkt, er montert på utsiden av IoT-enheter for å optimalisere radioens yteevne. En ekstern piskantenne utvider signalområdet, forbedrer signalkvaliteten og får bukt med hindringer eller forstyrrelser. De er nyttige i miljøer med svake eller blokkerte signaler, for eksempel de som dempes av vegger, tak og møbler i hjemmet. Rette og dreibare piskutforminger, der hver av disse er tilgjengelige med standard RF-grensesnittforbindelser som SMA, RP-SMA og N-Type.

Et eksempel er ST0226-30-002-A fra Amphenol, en 2,4 og 5 GHz SMA RF-stangantenne. Antennen er en god løsning for Wi-Fi-tilgangspunkter (AP – access point) og TV-mottakerbokser (STB – set-top box). Den tilbyr et retningsuavhengig strålemønster i 2,4 til 2,5 GHz-båndet og 5,15 til 5,85 GHz-båndet. Antennen har en diameter på 88 x 7,9 mm og en impedans på 50 Ω. RL er mindre enn –10 dB for begge frekvensområdene, og spissforsterkningen er –3,0 dBi i 2,4 GHz-båndet og 3,4 dBi i 5 GHz-båndet. Virkningsgraden er henholdsvis 86 og 75 %. Antennen er tilgjengelig med enten en SMA- eller RP-SMA-kontakt (figur 7).

Figur 7: Den eksterne piskantennen ST0226-30-002-A for Wi-Fi-tilgangspunkter er tilgjengelig med enten en SMA- eller RP-SMA-kontakt. (Bildekilde: Amphenol)

Spiralformede ledningsantenner er et billig og enkelt alternativ for utrustninger i sub-GHz-området, for eksempel LoRa IoT-enheter som virker i 868 MHz-frekvensbåndet. Antennene er vanligvis loddet direkte på kretskortet, og de gir god ytelse. Noen ulemper er plassbehov, spesielt når de virker ved lave frekvenser, og de har relativt lav virkningsgrad sammenlignet med visse antennealternativer.

Et eksempel er ST0686-10-N01-U, en 862 MHz RF-antenne fra Amphenol (figur 8). Denne spiralformede ledningsantennen virker i 862 til 874 MHz-frekvensbåndet og har en impedans på 50 Ω. Antennen har loddehull med en maksimal høyde på 38,8 mm. Den har en RL som er mindre enn –9,5 dB, en spissforsterkning på 2,5 dBi, og den gjennomsnittlige virkningsgraden er 58 %.

Figur 8: Den spiralformede ledningsantennen ST0686-10-N01-U er et godt alternativ for LoRa IoT-utrustninger. (Bildekilde: Amphenol)

Konklusjon

Radioytelsen til trådløse IoT-enheter avhenger av antennevalget, så konstruktører må velge nøye fra et bredt utvalg av antennekonstruksjoner fra leverandører som Amphenol, slik at de er best mulig er tilpasset utrustningen. Datablader er avgjørende under valgprosessen, men ved å følge etablerte konstruksjonsretningslinjer sikres den beste trådløse ytelsen.