Antennien integroinnin optimointi ISM LPWA -laitteissa

Esineiden internetin (IoT) jatkuva laajentuminen teollisuus-, kuluttaja- ja lääketieteellisissä laitteissa sekä kehittyvät älykkäät kaupungit ja älyrakennukset johtavat langattomien LPWA (Low Power Wide Area) -verkkojen käytön nopeaan lisääntymiseen. Tämä pätee erityisesti teolliseen, tieteelliseen ja lääketieteelliseen käyttöön tarkoitettuihin ISM-kaistoihin taajuusalueilla 915 MHz (RF) Yhdysvalloissa, 868 ja 169 MHz Euroopassa ja 433 MHz Aasiassa. Ne tukevat sellaisia langattomia protokollia kuten LoRa, Neul, SigFox, Zigbee ja Z-Wave.

LPWA-laitteet kutistuvat jatkuvasti ja tarvitsevat edullisia ja kompakteja antenneja, joilla on erinomainen suorituskyky. Antennien maatasoon liittyvät ongelmat voivat olla erityisen hankalia ISM-taajuuksilla 868 ja 915 MHz. Ne voidaan ratkaista käyttämällä lisäpiirejä, kasvattamalla laitteen integraatiotasoa ja tarkentamalla taajuusviritystä, mikä kaikki voi lisätä kehitysaikaa ja -kustannuksia. Suunnittelijat tarvitsevat antenneja, jotka minimoivat maatason ongelmat. Lisäksi LPWA-laitteet ovat usein akku- tai paristokäyttöisiä ja vaativat maksimaalista energiatehokkuutta. Antennin valinta ja integrointi on kriittinen osa tehokasta ratkaisua. Epäoptimaalinen antenniratkaisu voi lyhentää akun kestoa ja johtaa järjestelmän heikkoon kokonaissuorituskykyyn.

Optimoitu linkkibudjetti on yksi avain luotettavaan ja tehokkaaseen langattomaan viestintärajapintaan. Antennin valinnalla ja integroinnilla on merkittävä vaikutus linkkibudjettiin. Mutta sellaisen tehokkaan ja suorituskykyisen antennin suunnittelu tai valinta, joka ottaa huomioon sekä linkkibudjetin että maatason ongelmat, on kompleksinen prosessi. Linkkibudjettiin vaikuttavia antennispesifikaatioita ovat muun muassa impedanssi, paluuhäviö, VSWR (Voltage Standing Wave Ratio) -arvo, vahvistus, säteilykuvio jne. Helposti integroitavien, kompaktien ja suorituskykyisten antennien löytäminen, jotka minimoivat maatasoon liittyvät ongelmat, voi lyhentää merkittävästi suunnitteluaikaa ja parantaa järjestelmän kokonaissuorituskykyä.

Tässä artikkelissa kuvataan linkkibudjetin perusmalli, tarkastellaan linkkibudjettiin vaikuttavia keskeisiä antennispesifikaatioita ja esitellään esimerkkejä Molexin antenneista, joilla voidaan ratkaista maatasoon liittyvät ongelmat ja optimoida LPWA-laitteiden linkkibudjetti.

Perustason linkkibudjetti

Langattoman järjestelmän linkkibudjetti mittaa vastaanottimeen saapuvaa tehollista RF-energiaa. Yhtälö perustuu lähetettyyn tehoon desibelimetreinä (dBm), johon lisätään mahdolliset vahvistukset desibeleinä (dB) ja josta vähennetään häviöt, myös dB-arvoina. Tuloksena saadaan vastaanotettu teho desibelimetreinä. Käytännössä suunnitteluun vaikuttaa monia vahvistuksia ja häviöitä aiheuttavia tekijöitä.

Linkkibudjetteihin syvemmälle sukeltaminen

Antennin suorituskyky on ainoa tekijä, joka vaikuttaa linkkibudjetin vahvistuksiin ja häviöihin. Antennin hyötysuhde, vahvistus ja säteilykuvio ovat kolme tärkeää antennin suorituskyvyn osatekijää, ja ne mitataan usein OTA (over the air) -kammiossa (kuva 1). Muita linkkibudjetteihin mahdollisesti vaikuttavia tekijöitä ovat paluuhäviö (S11-parametri) ja VSWR (Voltage Standing Wave Ratio) -arvo.

Kuva 1: Antennin hyötysuhde, vahvistus ja säteilykuvio mitataan OTA-kammiossa. (Kuvan DUT tarkoittaa testattavaa laitetta) (Kuvan lähde: Molex)

Antennin hyötysuhde määrittää antennin emissiivisyyden. Usein käytetään keskiarvoista hyötysuhdetta, mutta hyötysuhde ei ole yksittäinen luku. Se on käyrä, joka voi olla tarkasteltavasta antennista riippuen enemmän tai vähemmän tasainen (kuva 2). Antennilla, jonka hyötysuhdekäyrä on tasaisempi, on usein alhaisempi maksimihyötysuhde kuin antennilla, jonka hyötysuhdekäyrä on terävämpi.

Kuva 2: Antennien hyötysuhdekäyrät voivat vaihdella suuresti: vasemmalla sijaitsevalla antennilla on tasaisempi hyötysuhdekäyrä, mutta oikealla sijaitsevalla antennilla on noin 10 % korkeampi huippuhyötysuhde taajuudella 915 MHz. (Kuvan lähde: Molex)

Antennivahvistus voidaan mitata keskiarvona tai huippu-/maksimiarvona, kuten hyötysuhdekin. Keskimääräinen vahvistus mitataan tietyllä taajuudella kaikissa kolmiulotteisen tilan suunnissa, kun taas maksimivahvistus on yksittäinen toimintapiste. Yleisesti ottaen voidaan sanoa: mitä korkeampi keskimääräinen vahvistus on, sitä parempi.

Antennin säteilykuvio on tärkeä vahvistukseen vaikuttava tekijä. Teoreettista antennia, joka säteilee saman energiamäärän kaikkiin suuntiin, kutsutaan isotrooppiseksi antenniksi, ja sen vahvistus on 0 dB (yksikkö). Todellisilla antenneilla, jopa niin kutsutuilla suuntauksettomilla malleilla, on epäisotrooppiset säteilykuviot, ja ne voivat olla enemmän tai vähemmän suuntaavia 3D-tasoissa mitattuna (kuva 3). Antenni, jonka vahvistus on 3 dB, on tietyssä suunnassa kaksi kertaa isotrooppista antennia tehokkaampi. Se kaksinkertaistaa lähettimen tehon tai vastaanottimen herkkyyden kyseisessä suunnassa.

Kuva 3: Säteilykuviot eroavat toisistaan eri antennimalleissa, ja niillä voi olla suuri merkitys linkkibudjetin laskennassa. Näiden kummankin antennin säteilykuvio on "suuntaukseton". (Kuvan lähde: Molex)

Antennin rakenne ja ympäristö vaikuttavat säteilykuvioon. Teknisissä tiedoissa esitetyissä mittauksissa käytetään tyypillisesti vapaata avaruusympäristöä ilman ympäristön häiriöitä. Käytännössä huippuvahvistus pienenee 1–2 desibelin verran isotrooppiseen (dBi) arvoon verrattuna, koska säteilykuvio muuttuu ympäröivien komponenttien vuoksi.

Paluuhäviö (S11) ja VSWR (Voltage Standing Wave Ratio) -arvo ovat toisiinsa liittyviä mittausarvoja, jotka kuvaavat antennista takaisin RF-piiriin heijastuvan energian määrää. Pienemmät arvot ovat parempia (kuva 4). S11 ≤ -6 dB tai VSWR  ≤ 3 katsotaan usein pienimmäksi hyväksyttäviksi suorituskykytasoksi. Jos S11 = 0 dB, kaikki teho heijastuu eikä yhtään tehoa säteile. Tai jos S11 = -10 dB, kun antenniin syötetään 3 dB:n teho, heijastuva teho on -7 dB. Antenni kuluttaa loput tehosta.

Kuva 4: Korkean hyötysuhteen antennin paluuhäviö (oikealla) on noin -14 dB taajuudella 915 MHz. Alhaisemman hyötysuhteen antennin, jonka hyötysuhdekäyrä on tasaisempi, paluuhäviö on noin -10 dB taajuudella 915 MHz. (Kuvan lähde: Molex)

VSWR on heijastuskertoimen funktio. Paluuhäviön tapaan pienempi VSWR-arvo tarkoittaa parempaa antennia. Pienin VSWR-arvo on 1,0, jolloin antennista ei heijastu tehoa. S11- ja VSWR-arvot voidaan minimoida impedanssisovituksella. Impedanssisovitukseen kuuluu antennin ja RF-piirin välisen siirtojohdon muuttaminen maksimaalisen energiansiirron parantamiseksi. Impedanssisovituksen puute johtaa siihen, ettei antenni hyväksy kaikkea RF-tehoa. Siirtojohdon impedanssin ja antennin impedanssin tarkka yhteensovittaminen johtaa siihen, että antenni vastaanottaa kaiken RF-tehon.

Joidenkin antennien impedanssi on 50 Ω, eivätkä ne tarvitse sovituspiiriä. Useimmissa antenneissa siirtojohtoon tarvitaan impedanssin sovituspiiri antennin suorituskyvyn optimoimiseksi. Sovituspiirejä tarvitaan yleensä antenneissa, jotka tukevat useita taajuuskaistoja. Sovituspiiri voi tarvittaessa koostua kondensaattorien, induktorien tai vastusten erilaisista yhdistelmistä.

Antennin suorituskyvyn parantaminen

Perusantenni koostuu tietyn pituisesta johtimesta, mutta antennin suorituskykyä voidaan parantaa lisäämällä siihen lisäelementtejä. Yksi esimerkki on Molexin MobliquA™-antenniteknologia, joka tarjoaa kaistanleveyttä parantavia tekniikoita (kuva 5). MobliquA-teknologia on suunniteltu parantamaan taajuusaluetta, jolla paluuhäviö on hyväksyttävä. Sitä kutsutaan usein ”impedanssikaistanleveydeksi”. Tämä teknologia voi parantaa impedanssikaistanleveyttä 60–70 prosenttia ilman että säteilytehokkuus heikkenee tai antennikoko kasvaa. MobliquA-teknologiaa käyttämällä taajuuksille 868 MHz ja 915 MHz suunnitellun ISM-antennin koko voi olla jopa 75 prosenttia tavanomaisia malleja pienempi. Se ei vaadi kalliita piirejä ja taajuusvirityksiä, joita muutoin tarvitaan maatason riippuvuusongelmien ratkaisemiseen.

Kuva 5: Molexin MobliquA-teknologian tehtävänä on parantaa impedanssikaistanleveyttä ja tarjota korkea häiriönsieto sille, että antennialueella on metalliesineitä . (Kuvan lähde: Molex)

MobliquA-teknologia mahdollistaa RF-erotettujen ja maadoitettujen osien käytön, esimerkkinä maadoitettu liitinkotelo. Se tarjoaa hyvän häiriönsiedon sille, että antennialueella on metalliosia. Sen ainutlaatuiset syöttötekniikat yhdistettynä antennielementtien suoraan maadoitukseen tarjoavat RF-etuasteelle paremman suojauksen sähköstaattista purkausta (ESD) vastaan.

Antennien integrointi

Vaikka kaikki edellä käsitellyt sähköiset tiedot ovat tärkeitä antennin integroinnin kannalta, on huomioitava myös antennin mekaaninen liittäminen ja integrointi järjestelmään. Vaihtoehtoja on useita. Esimerkiksi jotkin antennit on tarkoitettu järjestelmään juotettaviksi, kun taas toiset sisältävät järjestelmään kiinnitettävän koaksiaalikaapelin ja liittimen. Seuraavissa kahdessa kohdassa esitetään joitakin kunkin suuntauksettoman antennin spesifikaatioita.

Taipuisa ISM-antenni koaksiaalikaapelilla ja liittimellä

Suunnittelijat voivat käyttää Molexin mallia 2111400100 (kuva 6) kaksikaistaista ISM-antennia 868/915 MHz vaativissa sovelluksissa. Tämän monopoliantennin mitat ovat 38 x 10 x 0,1 millimetriä. Se on valmistettu taipuisasta polymeerimateriaalista, ja se käyttää 100 mm pitkää mikrokoaksiaalikaapelia, jonka ulkohalkaisija on 1,13 mm, sekä MHF-yhteensopivaa U.FL-liitintä. Se voidaan irrottaa ja kiinnittää mihin tahansa pintaan metallia lukuun ottamatta. Sen RF-teholuokitus on 2 W ja käyttölämpötila-alue -40 ... +85 °C. Muiden tämän sarjan antennien kaapelipituusvaihtoehdot ovat 50, 150, 200, 250 ja 300 mm, ja myös asiakaskohtaisia pituuksia voidaan valmistaa.

Kuva 6: Tämä kaksikaistainen ISM-antenni on taipuisa ja irrotettava, ja se asennetaan järjestelmään liimalla. (Kuvan lähde: Molex)

Joitakin keskeisiä ominaisuuksia ovat:

• Hyötysuhde: >55 % taajuudella 868 MHz, >60 % taajuudella 902 MHz
• Huippuvahvistus: 0,3 dBi taajuudella 868 MHz, 1,0 dBi taajuudella 902 MHz
• Säteilykuvio: suuntaukseton
• Paluuhäviö (S11): < -5 dB

Piirilevylle juotettava korkean hyötysuhteen keraaminen ISM-antenni

Kun tarvitaan korkeampaa hyötysuhdetta, suunnittelijat voivat käyttää erityisesti ISM-sovelluksiin suunniteltua keraamista antennia 2081420001 (kuva 7). Erilaisia sovituspiirejä voidaan käyttää kahdella eri taajuusalueella; 868–870 MHz ja 902–928 MHz. Se on tarkoitettu lämpötiloihin -40 ... +125 °C, ja sen mitat ovat 9 x 3 x 0,63 mm.

Kuva 7: Tätä keraamista antennia voidaan käyttää eri sovituspiirien avulla kahdella eri taajuusalueella; 868–870 MHz ja 902–928 MHz. (Kuvan lähde: Molex)

Joitakin keskeisiä ominaisuuksia ovat:

• Hyötysuhde: 70 % taajuudella 868 MHz, 65 % taajuudella 902 MHz
• Huippuvahvistus: 1,5 dBi taajuudella 868 MHz, 1,8 dBi taajuudella 902 MHz
• Säteilykuvio: suuntaukseton
• Paluuhäviö (S11): < -10 taajuudella 868 MHz, < -5 taajuudella 902 MHz

Yhteenveto

Antennien optimointi ja integrointi LoRa-, Neul-, SigFox-, Zigbee- ja Z-Wave IoT -protokollia tukeviin LPWA ISM -sovelluksiin on tärkeä ja kompleksinen tehtävä. Linkkibudjetin optimointi on välttämätöntä hyvän langattoman suorituskyvyn ja akun/pariston pitkän keston takaamiseksi. Tämä sisältää lukuisia kompromisseja sähköisissä toimintaspesifikaatioissa ja tehokkaan impedanssisovituspiirin kehittämisen. Antennin valintaprosessissa on otettava huomioon myös laitteen käyttöympäristö sekä mekaaniset ja liitäntävaatimukset.