IoT-sovellusten tehostaminen monipuolisilla ja pienikokoisilla antenneilla

Oikean antennin valitseminen voi olla ratkaisevan tärkeää langattoman esineiden internet (IoT) -sovelluksen onnistumiselle. Kun valitaan antenni, joka tarjoaa korkean suorituskyvyn ja joustavuuden eri verkkojen tukemiseksi, voidaan parantaa elektroniikkasovellusten kiinnostavuutta.

Tuotesuunnittelijoiden mielestä antennit ovat ehkä passiivisia komponentteja, mutta todellisuudessa niiden merkitys kasvaa, kun elektroniikkasovelluksiin lisätään uusiin IoT-ekosysteemeihin perustuvia ominaisuuksia. Erityisesti teollisissa IoT (IIoT) -sovelluksissa useita langattomia verkkoja tukevat antennit voivat tarjota kriittistä varmennusta, sietokykyä ja optimoitua verkkokattavuutta.

Tuki Wi-Fi-sovelluksille on tärkeää, mutta lisäksi mobiiliantenneille on kasvava tarve. Niitä tarvitaan IoT-sovelluksen onnistumiselle tarvittavien kriittisten ominaisuuksien tarjoamiseksi. Taajuuksien tehokas käyttö on välttämätöntä langattoman liikenteen kasvun aiheuttamien häiriöiden torjumiseksi. Toinen keskeinen vaatimus on korkea hyötysuhde, joka mahdollistaa akun käyttöiän pidentämisen. Monien IoT-sovellusten on toimittava haastavissa käyttöympäristöissä, kuten ulkotiloissa sijaitsevissa latauspisteissä. Niissä tarvitaan haastavia sääolosuhteita ja ilkivaltaa kestäviä antenneja.

Erittäin tehokkaita antenneja tarvitaan varmistamaan, että betonin ja metallin kaltaiset fyysiset rakennusmateriaalit eivät aiheuta merkittäviä signaalihäviöitä. Puhdas ja häiriötön tiedonsiirto on yhä kriittisempää häiriöiden ja signaalikohinan välttämiseksi, kun langattomat palvelut kilpailevat kaistasta. Teollisuudessa 5G-sovellusten kasvava kysyntä kannustaa suunnittelijoita käyttämään mikrosoluja ja piensoluja ratkaistakseen ongelmat, jotka syntyvät siitä, ettei 5G-signaali pysty läpäisemään ikkunoita ja seiniä.

Eri verkoilla on omat hyvät puolensa, joten tehokkaampia antenneja käyttävät tuotesuunnittelijat voivat saavuttaa laajemman verkkokattavuuden niin sisä- kuin ulkotiloissakin ja täyttää näin asiakkaiden tarpeet paremmin. Aivan yhtä tärkeää on, että useita verkkoteknologioita tukevat antennit lisäävät sovelluksien mukautuvuutta myös tulevaisuuden tarpeita varten.

Useita verkkoteknologioita tukevien antennien avulla toimittajat ja asiakkaat voivat valita yhden antennityypin ja tarjota verkkoyhteyden erilaisissa ympäristöissä sen sijaan, että heidän tarvitsisi hallita tuotevalikoimaa, joka sisältää lukuisia erilaisia antenneja. Se mahdollistaa myös eri tyyppisten verkkoteknologioiden yhdistämisen verkkokuormituksen tasapainottamiseksi ja tietoliikenteen jakamiseksi useiden eri reittien kesken, minkä ansiosta estetään ruuhkautuminen ja optimoidaan suorituskyky valitsemalla paras verkkovaihtoehto tiettyä tehtävää varten. Asiakkaat voivat valita kustannustehokkaimman verkon tiedonsiirtovaatimusten perusteella ja välttää mobiilidatan käyttöä silloin kun Wi-Fi riittää.

Vastaaminen haastavien käyttöympäristöjen vaatimuksiin

Langaton yhteys on usein tehtäväkriittinen vaatimus monissa ympäristöissä ja aiheuttaa lukuisia haasteita tuotesuunnittelijoille.

Esimerkiksi älytehtaat edellyttävät luotettavaa viestintää tehtaan laitteiden, antureiden ja keskushallintajärjestelmien kesken usein haastavissa teollisuusympäristöissä. Suurissa varastoissa, joissa käytetään rinnakkain Wi-Fi- ja matkapuhelinverkkoja, moniverkkoantennit voivat varmistaa saumattoman yhteyden varastonseurantaa ja logistiikan hallintaa varten.

Tehokkaat antennit mahdollistavat anturien käytön etäkohteissa tietojen keräämiseksi sääasemista ja ilmanlaadun valvonta-asemista sekä resurssien seuraamiseksi ja älykkäiden rakennussovellusten toteuttamiseksi. Maataloudessa ne voivat antaa tärkeää tietoa maaperän kosteudesta, kasvien terveydestä ja kastelujärjestelmien toiminnasta.

Muita uusia käyttökohteita ovat sähköajoneuvojen latausasemat, joiden on oltava yhteydessä taustajärjestelmiin säästä riippumatta; digitaaliset kyltit, jotka tarjoavat reaaliaikaisia näyttöjä ja ilmoituksia; turvalliset tallennusratkaisut, jotka edellyttävät reaaliaikaista seurantaa ja käytönvalvontaa sekä mobiilit matkalippu- ja matkustajatietojärjestelmät.

Jokaisella IoT-sovelluksella on omat vaatimuksensa, ja tuotesuunnittelijoiden on sopeuduttava sovelluskohtaisiin käyttötapauksiin sekä ympäristön ja tiedonsiirron asettamiin vaatimuksiin. IoT-laitteet toimivat useilla taajuusalueilla, mikä voi vaikuttaa suorituskykyyn; myös laitteiden rajallinen tila voi vaikeuttaa antennien integroimista muiden komponenttien toimintaa heikentämättä.

IoT-sovellukseen sopivan antennin valinnassa huomioitavia tekijöitä ovat suorituskyky, koko, hinta ja yhteensopivuus. Nämä voivat helposti johtaa suunnittelijat integroimaan erilaisia antenneja täyttääkseen asiakkaidensa tarpeet, mikä johtaa monimutkaisiin käyttäjätuki- ja toimitusketjuongelmiin.

Useita verkkoprotokollia

Vähävirtaiset LPWAN-protokollat, kuten kapeakaistainen IoT (NB-IoT), tukevat alhaisia tiedonsiirtonopeuksia ja käyttävät vain vähän virtaa. Ne vaativat korkean vahvistuksen ja korkean hyötysuhteen säilyttääkseen luotettavat verkkoyhteydet pitkillä etäisyyksillä. Käyttökohteet edellyttävät yleensä ympärisäteileviä antenneja, jotka tarjoavat suuren alueen kattavan laajan säteilykuvion.

Lyhyen kantaman Wi-Fi-protokollat puolestaan tukevat korkeita tiedonsiirtonopeuksia, mutta vaativat alhaisen vahvistuksen ja korkean hyötysuhteen säästääkseen virtaa ja välttääkseen aiheuttamasta häiriöitä muille laitteille. Antennien pitäisi tuottaa kapea säteilykuvio signaalin kohdentamiseksi.

Mobiili IoT-protokolla LTE CAT-1 tarjoaa kohtuullisen tiedonsiirtonopeuden ja keskikantaman mobiiliverkkoyhteydet IoT-sovelluksille. Tuetut kaistanleveydet ovat 1,4–20 MHz, ja protokolla tukee jopa 10 Mbit/s latausnopeutta verkosta laitteeseen ja jopa 5 Mbit/s laitteesta verkkoon. Sovellukset voivat hyödyntää kaksisuuntaisuutta ja alhaista virrankulutusta.

LTE CAT-M1 pyrkii tasapainoon tiedonsiirtonopeuden ja alhaisen virrankulutuksen välillä. Niiden virrankulutus on erittäin vähäinen, ja niiden antennit tukevat 1,4 MHz:n kaistanleveyttä ja jopa 1 Mbit/s tiedonsiirtonopeutta. Sovellukset voivat hyödyntää kaksi‑ tai vuorosuuntaista yhteyttä.

CAT-4 LTE -protokolla mahdollistaa huomattavasti korkeammat tiedonsiirtonopeudet ja alhaisemman latenssin vaativammissa IoT-sovelluksissa, mukaan lukien reaaliaikaiset sovellukset. Protokolla tarjoaa kaksisuuntaisen yhteyden jopa 150 Mbit/s latausnopeudella verkosta laitteeseen ja jopa 50 Mbit/s nopeudella laitteesta verkkoon.

Monipuoliset antennit

TE Connectivityn (TE) VersAnte-sarjan moniporttiset IoT-antennit tarjoavat kompaktin koon sekä erilaisia 4G/5G-mobiiliverkon, Wi-Fin ja GNSS-satelliittijärjestelmän (Global Navigation Satellite System) yhdistelmiä. Kun erilaisia tiedonsiirtoprotokollia voidaan integroida yhteen antenniin, suunnittelusta tulee yksinkertaisempaa.

Toisin kuin jotkin antennit, jotka edellyttävät erityisen maatason optimaalisen suorituskyvyn saavuttamiseksi, nämä antennit eivät vaadi maatasoa, ja ne voidaan asentaa joko metallisille tai ei-metallisille pinnoille, minkä ansiosta suunnittelijat voivat sijoittaa ne paikkoihin, joissa signaalin vastaanotto on optimaalinen. Suojakuvut voidaan maalata yleisesti saatavilla olevilla ei-metallisilla suihkemaaleilla.

TE:n VersAnte-antennit ovat ympärisäteileviä 360 asteen säteilykuviolla. Tämä vähentää heikon signaalin aiheuttamaa uudelleenlähetystä ja lisääntynyttä virrankulutusta. Niiden vahvistus ja virrankulutus on optimoitu kokonaissuorituskykyä ajatellen.

Nämä pienikokoiset antennit sopivat käyttökohteisiin, joissa on vain rajallisesti tilaa. Ne mahtuvat saumattomasti ahtaisiin tiloihin, kuten pieniin IoT-päätepisteisiin, digitaalisiin näyttöihin ja sähköajoneuvojen latausasemiin. Antennit on vahvistettu toimimaan luotettavasti haastavissa olosuhteissa, jolloin ne ovat vähemmän alttiita ilkivallan tai ympäristötekijöiden aiheuttamille vaurioille.

VersAnte L000321-01 (kuva 1) on 3-porttinen matalaprofiilinen kiekon muotoinen antenni. Se tarjoaa 4G/5G-mobiili-, Wi-Fi- ja GNSS-kattavuuden erilaisten sovellusten tarpeisiin IoT-päätepisteistä älypäätteisiin ja digitaalisiin kyltteihin. Se on 26,00 mm korkea ja halkaisijaltaan 90,2 mm ja tarjoaa korkean suorituskyvyn pienessä koossa.

Kuva 1: Kiekon muotoinen VersAnte L000321-01-mobiiliantenni. (Kuvan lähde: TE Connectivity)

TE tarjoaa myös kaksiporttisia L000322-01- ja 3-porttisia L000322-02 kupoliantenneja (kuva 2), joissa kummassakin on kaksi 4G/5G-mobiiliporttia ja valinnainen GNSS-portti. Jokainen versio on mitoiltaan 150 x 45 x 50 mm.

Kuva 2: Kuva esittää VersAnte L000322-01- ja L000322-02-antennien muodon. (Kuvan lähde: TE Connectivity)

Yhteenveto

Uusien langattomien sovellusten kasvava kysyntä tarjoaa mahdollisuuksia suunnittelijoille, jotka voivat integroida tuotteisiinsa useita tiedonsiirtotekniikoita. TE Connectivityn VersAnte-antennit ovat monipuolisia ja kestäviä, ja ne tukevat useita langattomia teknologioita kompaktissa ja matalaprofiilisessa muodossa. Koska niitä voidaan käyttää sekä metallisilla että ei-metallisilla pinnoilla ja koska niillä on IP67- ja IP69K-luokitus, ne ovat erittäin sopivia monenlaisiin luotettavaa ja erittäin suorituskykyistä verkkoyhteyttä edellyttäviin IoT-sovelluksiin sekä sisä- että ulkotiloissa.