Antennien valinta ja käyttö IoT-laitteissa

Esineiden Internet -laitteiden (IoT) yleistyminen nopeuttaa ja inspiroi innovatiivisten lopputuotteiden suunnittelua. Suunnittelijoiden on kuitenkin muistettava, että antennilla on keskeinen rooli laitteistoon ja ohjelmistoon käytetystä luovuudesta ja vaivasta huolimatta. Jos antenni ei toimi oikein, tuotteen suorituskyky on selvästi huonompi.

Laitteen ja langattoman verkon välisenä rajapintana antenni on kriittinen osa IoT-laitteen suunnitteluprosessia. Se muuntaa sähköenergian sähkömagneettisiksi radiotaajuisiksi (RF) aalloiksi lähettimessä ja vastaanottimeen saapuvan radiotaajuisen signaalin sähköenergiaksi. Suunnittelijat voivat optimoida sovelluksen suorituskyvyn valitsemalla antennin, joka täyttää tärkeimmät tekniset parametrit. Monet valittavat vaihtoehdot ja huomioitavat asiat voivat kuitenkin viivästyttää suunnitteluvaihetta ja lisätä sen kustannuksia.

Tämä artikkeli esittää yhteenvedon antennin roolista langattomassa IoT-laitteessa, ja siinä kuvataan lyhyesti sen valintaan vaikuttavat kriittiset suunnittelukriteerit. Sen jälkeen artikkelissa käytetään esimerkkeinä Amphenol-yrityksen antenneja esittelemään sopivia vaihtoehtoja Bluetooth Low Energy- (LE) tai Wi-Fi-antureille, IoT-pohjaiselle GNSS-satelliittipaikannusta käyttävälle omaisuuden seurannalle, Wi-Fi-tukiasemille (AP) ja LoRa-IoT-laitteille.

Teknisten tietojen tulkinta

Antennin lopullinen suorituskyky riippuu suunnittelun aikana tehdyistä päätöksistä, kuten asennussuunnasta ja impedanssin sovituspiirin suunnittelusta. Hyvä toteutus edellyttää antennin teknisten tietojen huolellista tarkastelua. Keskeisiä parametreja ovat:

• Säteilykuvio: tämä määrittää graafisesti, miten antenni säteilee (tai vastaanottaa) radiotaajuista energiaa kolmiulotteisessa tilassa (kuva 1).
• Maksimi tehonsiirto: tehonsiirto antennin ja vastaanottimen välillä on hyvä, kun siirtojohdon impedanssi (Z₀) on sovitettu antennin impedanssiin (Z_a. Heikko impedanssisovitus kasvattaa heijastushäviöitä (RL). Jännitteen seisovan aallon suhde (VSWR) kuvaa impedanssisovitusta siirtojohdon ja antennin välillä (taulukko 1). Korkeat VSWR-arvot aiheuttavat korkeita tehohäviöitä. Jos VSWR-arvo on alle 2, se on yleensä hyväksyttävä IoT-tuotteelle.
• Taajuusvaste: heijastushäviö (RL) riippuu radiotaajuudesta. Suunnittelijoiden on tarkistettava antennin taajuusvaste teknisistä tiedoista varmistaakseen, että RL on mahdollisimman alhainen aiotulla toimintataajuudella (kuva 2).
• Suuntaavuus: tämä suure mittaa antennin säteilykuvion suuntaavuutta. Enimmäissuuntaavuutta kuvataan arvolla on D_max.
• Hyötysuhde (η): kokonaissäteilytehon (TRP tai P_rad) suhde syöttötehoon (P_in) lasketaan kaavalla η = (Prad/Pin) * 100 %.
• Vahvistus: tämä kuvaa sitä, kuinka paljon tehoa lähetetään suuntaan, johon antenni säteilee voimakkaimmin. Sitä verrataan yleensä isotrooppiseen säteilijään, ja sen yksikkö on dBi. Se lasketaan kaavalla Vahvistus_max = η * D_max.

Kuva 1: Graafiset säteilykuviot kuvaavat sitä, miten antenni säteilee tai vastaanottaa radiotaajuista energiaa kolmiulotteisessa tilassa. Teknisissä tiedoissa esitetään yleensä antennin suurin etäisyys XY- ja YZ-tasoissa, kun antenni on asennettu suositellulla tavalla. (Kuvan lähde: Amphenol)

Taulukko 1: VSWR ilmaisee impedanssisovituksen siirtojohdon ja antennin välillä. Jos VSWR-arvo on alle 2, se on yleensä hyväksyttävä IoT-tuotteelle. (Taulukon lähde: Steven Keeping.)

Kuva 2: VSWR ja RL riippuvat taajuudesta. RL on minimoitava halutulla toimintataajuudella. (Kuvan lähde: Amphenol)

Suorituskyvyn parantaminen

Suorituskyvyltään huono antenni rajoittaa sitä, kuinka suuri osa sähkövirrasta muunnetaan lähettimen säteileväksi energiaksi ja kuinka paljon vastaanottimeen saapuvista radiotaajuisista signaaleista saadaan energiaa. Heikko suorituskyky kummassa tahansa vähentää langattoman linkin toimintaetäisyyttä.

Tärkein antennin suorituskykyyn vaikuttava tekijä on impedanssi. Merkittävä poikkeama antennin impedanssin (joka liittyy sen tulojännitteeseen ja -virtaan) ja antennia ohjaavan jännitelähteen impedanssin välillä johtaa heikkoon energiansiirtoon.

Hyvin suunniteltu impedanssisovituspiiri minimoi VSWR-arvon ja siitä aiheutuvat tehohäviöt sovittamalla lähettimen teholähteen impedanssin antennin impedanssiin. Impedanssi on tyypillisesti 50 ohmia (Ω) matalatehoisessa IoT-tuotteessa.

Myös antennin sijainti vaikuttaa dramaattisesti lopputuotteen lähetystehoon ja vastaanottoherkkyyteen. Sisäisen antennin suunnittelussa suositellaan antennin sijoittamista IoT-laitteen yläosaan piirilevyn reunaan ja niin etäälle kuin mahdollista muista komponenteista, jotka voivat aiheuttaa sähkömagneettisia häiriöitä (EMI) toiminnan aikana. Impedanssisovituskomponentit ovat poikkeus tästä, koska niiden tarvitsee olla lähellä antennia. Antennin muihin piireihin yhdistävien piirilevyn juotoskohtien ja johtimien pitäisi olla ainoat kuparijohtimet antennin ympärille määritetyllä suoja-alueella (kuva 3).

Kuva 3: Piirilevylle asennettava antenni on sijoitettava lähelle piirilevyn reunaa. Antenni on myös sijoitettava etäälle muista komponenteista (lukuun ottamatta impedanssisovituspiirissä käytettävistä) suoja-alueen avulla. (Kuvan lähde: Amphenol)

(Katso lisätietoja antennien suunnitteluohjeista linkistä ”Monikaistaisten sulautettujen antennien käyttö tilan, kustannusten ja kompleksisuuden vähentämiseksi IoT-ratkaisuissa.”)

Antennityypit

Antennityypin valinta on tärkeä osa IoT-laitteen suunnitteluprosessia. Antennin pitäisi olla optimoitu halutulle langattoman rajapinnan RF-kaistalle, esimerkiksi NB-IoT käyttää useita taajuuskaistoja alueella 450 – 2200 MHz, LoRa käyttää taajuuksia 902 – 928 MHz Pohjois-Amerikassa, Wi-Fi taajuuksia 2,4 ja 5 GHz sekä Bluetooth taajuutta LE 2,4 GHz.

Antenneissa käytetään erilaisia sähköteknisiä ratkaisuja. Esimerkkejä ovat monopoli, dipoli, kehä, IFA-antenni (Inverted F Antenna) ja PIFA-antenni (Planar Inverted F Antenna). Jokainen sopii tiettyyn käyttötarkoitukseen.

On myös epäsymmetrisiä ja differentiaalisia antenneja. Differentiaaliset antennit ovat symmetrisiä. Epäsymmetriset antennit vastaanottavat tai lähettävät signaaleja, joiden referenssitasona on maa, ja niissä tulon ominaisimpedanssi on tyypillisesti 50 Ω. Koska monet RF-mikropiirit käyttävät kuitenkin differentiaalista RF-porttia, epäsymmetristä antennia käytettäessä tarvitaan usein muunnosverkko. Tämä symmetrointiverkko muuntaa signaalin symmetrisestä epäsymmetriseksi.

Symmetrisen antennin kanssa lähetykseen käytetään kahta komplementaarista signaalia, joista kummallakin on oma johtimensa. Koska antenni on symmetrinen, symmetrointimuuntajaa ei tarvita, jos antennia käytetään differentiaaliset RF-portit tarjoavien RF-mikropiirien kanssa.

Lopuksi, antenneja on monissa eri muodoissa, kuten piirilevy, mikrosiru tai liuska, ulkoinen piiska-antenni ja lanka-antenni. Kuvassa 4 esitetään joitakin esimerkkisovelluksia.

Kuva 4: Erilaisiin IoT-sovelluksiin on saatavana lukuisia antenneja. (Kuvan lähde: Amphenol)

Antennin sovittaminen käyttökohteeseen

Antennin lopullinen valinta riippuu käyttökohteesta ja tuotteen muodosta. Jos esimerkiksi IoT-tuotteessa on vähän tilaa, piirilevyantenni voidaan asentaa suoraan sen piirilevylle. Nämä antennit ovat erinomainen valinta 2,4 GHz:n sovelluksiin, kuten Bluetooth LE- tai Wi-Fi-anturit älykodin laitteissa, mukaan lukien valaistus, termostaatit ja turvajärjestelmät. Ne tarjoavat luotettavan RF-suorituskyvyn matalaprofiilisella rakenteella. Piirilevyantennien suunnittelu on kuitenkin hankalaa. Vaihtoehtona on hankkia piirilevyantenni kaupalliselta toimittajalta. Sen jälkeen se voidaan liimata piirilevyyn.

Esimerkki piirilevyantennista on Amphenolin ST0224-10-401-A, joka on piirilevyn johtimia käyttävä radiotaajuuksinen Wi-Fi-antenni. Antennissa on ympärisäteilevä säteilykuvio taajuuskaistoilla 2,4–2,5 GHz ja 5,15–5,85 GHz. Antennin mitat ovat 30 x 10 x 0,2 mm, ja sen impedanssi on 50 Ω. Sen RL on alle –10 dB molemmilla taajuusalueilla, ja sen huippuvahvistus on 2,1 dB suhteessa isotrooppiseen (dBi) 2,4 GHz:n kaistalla ja 3,1 dBi 5 GHz:n kaistalla. Sen hyötysuhde on 77 % ja 71 % näillä taajuusalueilla (kuva 5).

Kuva 5: Piirilevyn johtimia käyttävän ST0224-10-401-A-Wi-Fi-antennin hyötysuhde on korkea sekä 2,4 että 5 GHz:n taajuuskaistalla. (Kuvan lähde: Amphenol)

Mikrosiruantenni on toinen vaihtoehto IoT-tuotteille, joissa on vain vähän tilaa. Automatisoitu laite voi asentaa tämän pienikokoisen komponentin suoraan piirilevylle. Antenni sopii Bluetooth LE- tai Wi-Fi-tekniikkaan perustuviin langattomiin IoT-sovelluksiin. Mikrosiruantennin tärkeimmät edut ovat tilansäästö, pienemmät valmistuskustannukset ja yksinkertaistettu suunnitteluprosessi.

Kuten edellä on kuvattu, mikrosiruantennin suorituskykyyn vaikuttavat muun muassa piirilevyn layout ja antennia ympäröivät komponentit, mutta antennitekniikan kehitys on johtanut komponentteihin erittäin korkealla hyötysuhteella. Mikrosiruantennit sopivat erilaisiin sovelluksiin älypuhelimista ja tableteista älykotijärjestelmiin ja teollisuusantureihin.

Esimerkki näistä on Amphenolin ST0147-00-011-A, 2,4 GHz:n piirilevylle pinta-asennettava siruantenni. Antenni tarjoaa ympärisäteilevän säteilykuvion taajuuskaistalla 2,4–2,5 GHz (kuva 6). Antennin mitat ovat 3,05 x 1,6 x 0,55 mm, ja sen impedanssi on 50 Ω. Sen RL on alle –7 dB, sen huippuvahvistus on 3,7 dBi ja sen keskimääräinen hyötysuhde on 80 %.

Kuva 6: Pintaliitostyyppinen ST0147-00-011-A-siruantenni on pienikokoinen ja siinä on XY-tasossa ympärisäteilevä säteilykuvio. (Kuvan lähde: Amphenol)

Piirilevyantennien tavoin liuska-antennit ovat pienikokoisia, ja ne voidaan kiinnittää suoraan piirilevyyn. Tyypillinen sovellus on antenni omaisuuden seurantajärjestelmää tai muita maailmanlaajuista satelliittipaikannusjärjestelmää (GNSS) käyttäviä laitteita varten. GNSS-liuska-antennit koostuvat liuskaelementistä dielektrisellä alustalla. Korkean hyötysuhteen ansiosta antenni seuraa heikkoja GNSS-signaaleja useista satelliiteista.

Yksi esimerkki on Amphenolin passiivinen ST0543-00-N04-U-GNSS-liuska-antenni, joka toimii taajuuskaistoilla 1,575 GHz ja 1,602 GHz. Antennin mitat ovat 18 x 18 x 4 mm, ja sen impedanssi on 50 Ω. Sen RL on alle –10 dB molemmilla taajuusalueilla, ja sen huippuvahvistus on –0,5 dBi 1,575 GHz:n taajuuskaistalla ja 1,0 dBi 1,602 GHz:n taajuuskaistalla. Sen hyötysuhde on 80 % ja 82 % näillä taajuusalueilla.

Ulkoiset piiska-antennit, kuten Wi-Fi-tukiaseman antennit, asennetaan IoT-laitteiden ulkopuolelle radion toiminnan optimoimiseksi. Ulkoinen piiska-antenni pidentää signaalin kantamaa, parantaa signaalin laatua, eikä se ole herkkä esteille tai häiriöille. Ne ovat hyödyllisiä ympäristöissä, joissa signaalit ovat heikkoja tai joissa seinät, katot ja kodin huonekalut vaimentavat signaalia. Saatavana on suoria ja kääntyviä piiska-antenneja, joissa jokaisessa on vakiomuotoinen RF-liitäntä, kuten SMA, RP-SMA ja N-tyyppi.

Esimerkkinä näistä toimii Amphenolin ST0226-30-002-A, joka on 2,4 and 5 GHz:n RF-sauva-antenni SMA-liittimellä . Antenni on hyvä ratkaisu Wi-Fi-tukiasemia ja multimediasovittimia varten. Se tarjoaa ympärisäteilevän säteilykuvion taajuuskaistoilla 2,4–2,5 GHz ja 5,15–5,85 GHz. Antennin pituus on 88 mm ja halkaisija 7,9 mm, ja sen impedanssi on 50 Ω. Sen RL on alle –10 dB molemmilla taajuusalueilla, ja sen huippuvahvistus on 3,0 dBi 2,4 GHz:n taajuuskaistalla ja 3,4 dBi 5 GHz:n taajuuskaistalla. Sen hyötysuhde on 86 % ja 75 % näillä taajuusalueilla. Antenni on saatavana joko SMA- tai RP-SMA-urosliittimellä (kuva 7).

Kuva 7: Ulkoinen ST0226-30-002-A piiska-antenni Wi-Fi-tukiasemia varten on saatavana joko SMA- tai RP-SMA-urosliittimellä. (Kuvan lähde: Amphenol)

Kierukka-antennit ovat edullinen ja yksinkertainen vaihtoehto alle gigahertsin taajuuksilla toimiville sovelluksille, kuten LoRa IoT-laitteet, jotka toimivat 868 MHz:n taajuuskaistalla. Antennit juotetaan yleensä suoraan piirilevylle, ja niiden suorituskyky on hyvä. Joitakin niiden haittapuolia ovat suuri koko, etenkin käytettäessä matalia taajuuksia, ja suhteellisen alhainen hyötysuhde verrattuna joihinkin muihin antennivaihtoehtoihin.

Yksi esimerkki on Amphenolin ST0686-10-N01-U, joka on 862 MHz:n RF-antenni (kuva 8). Tämä kierukka-antenni toimii taajuuskaistalla 862–874 MHz, ja sen impedanssi on 50 Ω. Läpiasennettava antenni kiinnitetään juottamalla ja sen enimmäiskorkeus on 38,8 mm. Sen RL on alle –9,5 dB, huippuvahvistus 2,5 dBi ja keskimääräinen hyötysuhde 58 %.

Kuva 8: ST0686-10-N01-U-kierukka-antenni on hyvä vaihtoehto LoRa IoT -sovelluksiin. (Kuvan lähde: Amphenol)

Yhteenveto

Langattoman IoT-laitteen radion suorituskyky riippuu antennin valinnasta, joten suunnittelijoiden on valittava sovellukseen parhaiten soveltuva antenni huolellisesti Amphenolin kaltaisten valmistajien laajasta valikoimasta. Tekniset tiedot ovat tärkeässä asemassa tämän valinnan aikana, mutta vakiintuneiden suunnitteluohjeiden noudattaminen takaa parhaan langattoman suorituskyvyn.