Optimalisering av antenneintegrasjon i ISM LPWA-enheter

Den kontinuerlige utvidelsen av tingenes Internett (IoT) i industrielle, forbrukerfokuserte og medisinske enheter, i tillegg til nye smarte byer og smartbygninger, driver den raskt økende bruken av trådløse nettverk med lav effekt (LPWA – low power wide area). Dette gjelder spesielt i de industrielle, vitenskapelige og medisinske (ISM) radiofrekvensbåndene på 915 MHz i USA.S, 868 og 169 MHz i Europa og 433 MHz i Asia, som støtter trådløse protokoller som LoRa, Neul, SigFox, Zigbee og Z-Wave.

LPWA-enheter fortsetter å krympe og trenger billige og kompakte antenner med overlegen ytelse. Problemer med jordplanantenner kan være spesielt plagsomt i 868 og 915 MHz ISM-båndene. De kan håndteres ved hjelp av ytterligere strømkretser, økt enhetsintegrasjon og mer nøyaktig frekvensjustering, noe som kan bidra til lengre utviklingstid og økte kostnader. Konstruktører har behov for antenner som minimerer jordplanbekymringer. I tillegg er LPWA-enheter ofte batteridrevne og krever maksimal energieffektivitet. Valg og integrasjon av antennen er et avgjørende aspekt for en effektiv konstruksjon. En mindre optimal antenneløsning kan redusere batterilevetiden og resultere i svak generell systemytelse.

Et optimalisert linkbudsjett er et viktig element når det kommer til å oppnå et pålitelig og effektivt trådløst kommunikasjonsgrensesnitt. Antennevalg og -integrasjon har en betydelig innvirkning på linkbudsjettet. Det er imidlertid en kompleks prosess å konstruere eller velge en effektiv antenne med høy ytelse som tar hensyn til både linkbudsjettet og jordplanutfordringer. Antennespesifikasjoner som påvirker linkbudsjettet omfatter impedans, returdempning, spenning, ståbølgeforhold, forsterkning, strålingsmønster, med mer. Identifisering av lett integrerbare og kompakte antenner med høy ytelse som minimerer jordplanproblemer, kan redusere konstruksjonstiden betydelig og forbedre den generelle systemytelsen.

Denne artikkelen beskriver en grunnleggende linkbudsjettmodell, gjennomgår viktige antennespesifikasjoner som påvirker linkbudsjettet og presenterer eksempler på antenner fra Molex som kan få bukt med jordplanproblemer og bidra til å optimalisere linkbudsjettene i LPWA-enheter.

Grunnleggende linkbudsjett

Et linkbudsjett i et trådløst system måler den effektive RF-energien som når frem til mottakeren. Ligningen starter med den sendte effekten i desibelmeter (dBm), legger til eventuelle gevinster i desibel (dB), trekker fra tap, også i dB, og når frem til den mottatte effekten i dBm. I en praktisk konstruksjon er det mange bidragsytere til forsterkninger og tap.

Vi tar en grundigere titt på linkbudsjetter

Antenneytelse er den eneste faktoren som påvirker forsterkninger og tap i et linkbudsjett. Antennevirkningsgrad, -forsterkning og -strålingsmønster er tre viktige aspekter av antenneytelse, og de måles ofte ved hjelp av et OTA-kammer (OTA – over-the-air)(Figur 1). Andre faktorer som kan påvirke linkbudsjetter er returdempning (S11-parameteren) og ståbølgeforhold (VSWR).

Figur 1: Antennevirkningsgrad, -forsterkning og -strålingsmønster måles ved å bruke et OTA-kammer. (DUT i bildet refererer til enhet under test (Device Under Test)) (Bildekilde: Molex)

Antennevirkningsgrad fastsetter emisjonsfaktoren til en antenne. Gjennomsnittlig virkningsgrad brukes ofte, men virkningsgrad er ikke ett enkelt tall. Det er en kurve som kan være mer eller mindre flat, avhengig av den spesifikke antennen som tas i betraktning (figur 2). Ofte vil en antenne med en flatere virkningsgradkurve ha en lavere maksimal virkningsgrad enn en antenne med en mer spisset virkningsgradkurve.

Figur 2: Virkningsgradskurver for antenner kan variere kraftig: Antennen til venstre har en flatere virkningsgradskurve, mens kurven til høyre har omtrent 10 % høyere spissvirkningsgrad ved 915 MHz. (Bildekilde: Molex)

I likhet med virkningsgrad, kan antenneforsterkning måles som et gjennomsnitt eller en spiss/maksimumsverdi. Ved en gitt frekvens måles den gjennomsnittlige forsterkningen på tvers av alle vinklene i det tredimensjonale rommet, mens den maksimale forsterkningen er ett enkelt driftspunkt. Generelt sett er det slik at jo høyere gjennomsnittsforsterkningen er, jo bedre.

Strålemønsteret til en antenne er en viktig faktor når det kommer til å fastsette forsterkningen. En teoretisk antenne som utstråler den samme energien i alle retninger, kalles en isotropisk radiator og har en forsterkning på 0 dB (unity gain). Ekte antenner, inkludert såkalte rundtstrålende konstruksjoner, har ikke-isotrope strålingsmønstre og kan være mer eller mindre retningsbestemte når de måles i et 3D-plan (figur 3). En antenne med en forsterkning på 3 dB er dobbelt så effektiv i en gitt retning sammenlignet med en isotropisk radiator. Den dobler senderens effekt, eller mottakerens følsomhet, i den bestemte retningen.

Figur 3: Strålemønstre varierer for ulike antennekonstruksjoner, noe som kan være viktig i forbindelse med linkbudsjettberegninger. Begge disse antennene er spesifisert med rundtstrålende strålingsmønstre. (Bildekilde: Molex)

Antennekonstruksjon og omgivelser påvirker strålingsmønsteret. Typiske databladmålinger bruker fritt rom-omgivelser uten omliggende interferens. Under faktiske implementasjoner vil spissforsterkningen reduseres med 1 til 2 desibel i forhold til isotropisk (dBi), siden strålingsmønsteret vil endres på grunn av de omkringliggende komponentene.

Returdempning (S11) og ståbølgeforhold (VSWR) er relaterte målinger av mengden energi som reflekteres fra antennen tilbake til RF-kretsen, der mindre verdier er bedre (figur 4). S11 ≤ –6 dB eller VSWR ≤ 3 anses ofte som minste akseptable ytelsesnivåer. Hvis S11 = 0 dB, reflekteres all effekt, uten noe utstrålt. Eller, hvis S11 = –10 dB, når 3 dB strøm leveres til antennen, er –7 dB den reflekterte effekten. Antennen bruker resten av effekten.

Figur 4: Returdempningen for antennen med høy virkningsgrad (høyre) er omtrent –14 dB ved 915 MHz, mens returdempningen for antennen med lavere virkningsgrad og flatere virkningsgradkurve er omtrent –10 dB ved 915 MHz. (Bildekilde: Molex)

VSWR er en funksjon av refleksjonskoeffisienten. I likhet med returdempning gir en mindre VSWR-verdi uttrykk for en bedre antenne. Minimumsverdien av VSWR er 1,0, der ingen strøm reflekteres fra antennen. Impedanstilpasning kan brukes til å minimere S11 og VSWR. Impedanstilpasning innebærer å modifisere overføringslinjen mellom antennen og RF-kretsen slik at den maksimale energioverføringen forbedres. En uoverensstemmelse i impedans fører til at en del av RF-effekten ikke aksepteres av antennen. Et nøyaktig samsvar mellom impedansen til overføringslinjen og antenneimpedansen resulterer i at all RF-effekt mottas ved antennen.

Noen antenner har en impedans på 50 Ω og trenger ikke et samsvarende nettverk. De fleste antenner krever et impedanstilpassende nettverk i overføringslinjen for å optimalisere antennens ytelse. Samsvarende nettverk er vanligvis påkrevd for antenner som støtter flere frekvensbånd. Et samsvarende nettverk kan bestå av ulike kombinasjoner av kondensatorer, induktorer eller motstander når dette er nødvendig.

Forbedring av antenneytelsen

En grunnleggende antenne består av en leder med en gitt lengde, men ytterligere elementer kan legges til for å forbedre antennens ytelse. Ett eksempel er MobliquA™-antenneteknologien fra Molex som omfatter båndbreddeutvidende teknologier (figur 5). MobliquA-teknologien er konstruert for å utvide frekvensområdet som returdempningen er akseptabel for, ofte kalt «impedansbåndbredden». Denne teknologien kan utvide impedansbåndbredden med 60 til 70 prosent, uten at det går på bekostning av strålingsvirkningsgraden eller øker størrelsen til antennen. En ISM-antenne som er konstruert for 868 MHz og 915 MHz ved hjelp av MobliquA-teknologi, kan ha opptil 75 % mindre volum sammenlignet med konvensjonelle konstruksjoner, og den eliminere behovet for dyre kretser og frekvensjusteringen som trengs for å håndtere problemer relatert til jordplanavhengighet.

Figur 5: Molex sin MobliquA-teknologi er konstruert for å forbedre impedansbåndbredden og gi en høy grad av immunitet mot innsetting av metallobjekter i antennevolumet. (Bildekilde: Molex)

MobliquA-teknologien gjør det mulig å bruke RF-avkoblede eller jordede deler, for eksempel et jordet kontakthus. Den gir god immunitet mot innsettingen av metalldeler i antennevolumet. De unike teknikkene for mating kombinert med direkte jording av antenneelementene gir forbedret beskyttelse mot elektrostatisk utladning (ESD – electrostatic discharge) for RF-inngangen.

Antenneintegrasjon

Selv om alle de elektriske spesifikasjonene som er omhandlet ovenfor er viktige aspekter av antenneintegrasjon, er mekanisk tilkobling og integrering av antennen i systemet også en utfordring. Det er flere muligheter. Noen antenner er for eksempel konstruert for å loddes til systemet, og andre inkluderer en koaksialkabel og kontakt festet til systemet. De følgende to avsnittene tar for seg noen av spesifikasjonene for hver rundstrålende antenne.

Fleksibel ISM-antenne med koaksial og kontakt

For konstruksjoner som trenger en tobånds ISM-antenne på 868/915 MHz, kan konstruktører bruke modellen 2111400100 fra Molex (figur 6). Denne enpolede (monopol) antennen måler 38 x 10 x 0,1 millimeter (mm), er laget av et fleksibelt polymermateriale og har en 100 mm lang mikrokoaksialkabel med en utvendig diameter på 1,13 mm og en U.FL-kontakt som er MHF-kompatibel. Den er av klistremerketypen (peel-and-stick) og vil feste seg til alle ikke-metalliske overflater. Den kan håndtere en RF-effekt på 2 W og har et driftstemperaturområde fra –40 til +85 °C. Andre antenner i denne serien har kabellengdealternativer på 50, 150, 200, 250 og 300 mm, og egendefinerte lengder kan produseres.

Figur 6: Denne tobånds ISM-antennen er fleksibel og kan monteres i systemet ved å bruke et klistremerkelim. (Bildekilde: Molex)

Noen viktige spesifikasjoner omfatter:

• Effektivitet: >55 % ved 868 MHz, >60 % ved 902 MHz
• Spissforsterkning: 0,3 dBi ved 868 MHz, 1,0 dBi ved 902 MHz
• Strålingsmønster: rundstrålende
• Returdempning (S11): < –5 dB

Høyeffektiv keramisk ISM-antenne loddes til kretskortet

Når det er behov for høyere effektivitet, kan konstruktører bruke en keramisk 2081420001-antenne som er spesialkonstruert for ISM-konstruksjoner(figur 7). Ulike samsvarende nettverk kan brukes i to forskjellige frekvensbånd: 868–870 MHz og 902–928 MHz. Den er klassifisert for drift i området –40 til +125 °C, og måler 9 x 3 x 0,63 mm.

Figur 7: Med forskjellige samsvarende nettverk, kan denne keramiske antennen brukes i to forskjellige frekvensbånd: 868–870 MHz og 902–928 MHz. (Bildekilde: Molex)

Noen viktige spesifikasjoner omfatter:

• Effektivitet: 70 % ved 868 MHz, 65 % ved 902 MHz
• Spissforsterkning: 1,5 dBi ved 868 MHz, 1,8 dBi ved 902 MHz
• Strålingsmønster: rundstrålende
• Returdempning (S11): < –10 ved 868 MHz, < –5 ved 902 MHz

Sammendrag

Antenneoptimalisering og -integrasjon i LPWA ISM-konstruksjoner, for eksempel LoRa, Neul, SigFox, Zigbee og Z-Wave IoT-protokoller, er en viktig og kompleks oppgave. Optimalisering av linkbudsjettet er nødvendig for å sikre god trådløs ytelse og lang batterilevetid. Dette omfatter en rekke kompromisser mellom elektriske driftsspesifikasjoner og utviklingen av et effektivt impedanstilpassende nettverk. Prosessen som innebærer å velge antenne må også ta hensyn til driftsmiljøet og enhetens mekaniske og sammenkoblingsrelaterte krav.