Az IoT-alkalmazások antennatervezésének elsődleges szempontjai
Az elmúlt pár évben a dolgok internete (IoT) gyakorlatilag mindenki életére hatással volt valamilyen formában. Egyesek számára ez kimerül az olyan egyszerű felhasználásban, mint például az okosórák az étkezések és a testedzés nyomon követéséhez, vagy a közüzemi szolgáltatók intelligens mérőinek használata a fogyasztás csökkentése és a számlák ellenőrzése érdekében. A másik véglet az eszközök teljes hálózatba szervezése, a háztartási készülékektől kezdve a fűtésen, az intelligens zárakon és biztonsági eszközökön keresztül a napelemekig minden elérhető és irányítható egy otthoni digitális asszisztensen keresztül.
A háztartások világából kitekintve a technológia üzleti és ipari felhasználása jellemzően még változatosabb képet mutat. Az ipari/üzleti alkalmazások – többek közt – célozhatják épületrendszerek automatizálását a hatékonyság növelése és a széndioxid-kibocsátás csökkentése érdekében, vagy gyűjthetnek adatot (méghozzá sok-sok adatot) a folyamatirányítás, üzleti tervezés, eszközgazdálkodás, karbantartás, energia- és hulladékgazdálkodás céljából, vagy akár új termékek kidolgozásának és tervezésének támogatására.
A legújabb vezeték nélküli protokollok
A vezeték nélküli technológia számos tagadhatatlan előnyt jelent az IoT-eszközök összekapcsolásában. Ezek közül is az egyik kulcsfontosságú előny a rugalmasság, aminek köszönhetően lehetővé válik az eszközök különféle helyszíneken történő, a fizikai kábelezés jelentette korlátoktól mentes telepítése. Új kábelek telepítése akár otthoni környezetben, akár irodákban vagy üzemekben egyaránt zavaró lehet. A vezeték nélküli megoldások jellemzően költséghatékonyak, különösen a nagy kiterjedésű IoT-telepítések esetében, ráadásul egyszerű és olcsó skálázhatóságot tesznek lehetővé. Egy másik jelentős előny a nagyfokú mobilitás, ami komoly tényező az olyan alkalmazások esetében, mint például a viselhető eszközök vagy a vagyontárgyak nyomon követése. Mindezek mellett az akkumulátorról üzemeltetett IoT-eszközök számára fontos lehet a vezeték nélküli technológiák energiahatékonysága is.
Az olyan, IoT-alkalmazásokban használt, szabványosított vezeték nélküli technológiák, mint például az NFC, ideális megoldást jelentenek a rövid ideig tartó, csupán néhány centiméteren belüli adatkommunikációhoz. Az NFC-olvasóeszköz által kibocsátott RF-mező energiája elegendő lehet a vevőáramkörök táplálásához, hogy az igény esetén elérje és továbbítsa a tárolt adatokat.
A Bluetooth® mobilitást kínál, és rugalmasságot biztosít az adatátviteli sebesség, a hatótávolság és az energiafogyasztás megtervezésében egy adott alkalmazás igényeihez igazodva. Lehetővé teszi a végpontok közötti és a mesh hálózatos kapcsolatot, legújabb verziói pedig az iránymeghatározást és a helyzetérzékelést is támogatják. Az eleve mesh hálózati működésre tervezett Zigbee hasonló jellemzőkkel rendelkezik. A WiFi® előnyösebb azokban az esetekben, ahol nagyobb hatótávolságra, magasabb adatátviteli sebességre vagy nagyobb kapcsolódási kapacitásra van szükség. Számos WiFi-generáció van használatban, egészen a WiFi 6-ig, aminek elméleti maximális adatátviteli sebessége 9,6 Gbps. A WiFi 6 rugalmas csatornakiosztást biztosít, valamint olyan technológiákkal rendelkezik, amelyek segítik csökkenteni az interferenciát és a hálózati csatlakozások várakozási idejét, lehetővé teszik irányított sugárzás használatát az adatátvitel hatékonyságának növelése érdekében, valamint megnövelt WPA3-biztonsággal is rendelkezik.
A nagyobb mobilitást és hatótávolságot igénylő IoT-alkalmazások számára a cellás és az alacsony fogyasztású, nagy területet lefedő hálózati (low-power wide-area network – LPWAN) technológiák használata is megfontolandó. Ilyenek például a LoRa vagy a Sigfox. A régebbi hálózatok kikapcsolásával a régebbi 2.5G és 3G adatkapcsolatok átadják a helyüket a legújabb LTE és 5G hálózatokat használó szabványoknak, mint az LTE-M és az NB-IoT. Ezek az IoT-alkalmazások igényeinek kielégítésére optimalizáltak, amik jellemzően kis mennyiségű adatcserét igényelnek nagy gyakorisággal.
Az olyan eszközök, mint nyomkövetők működése navigációs műholdhálózatokon (általános megnevezéssel globális navigációs műholdrendszereken – global navigation satellite systems – GNSS) alapulhat, ilyenek a GPS, a Galileo, a GLONASS és a BeiDou. A több rendszerrel együttműködésre képes vevőkészülékek a helymeghatározási adatok robusztusabb és megbízhatóbb elérését biztosíthatják. Egyes vevőberendezések a műholdszolgáltatók nagy pontosságú szolgáltatásaihoz is hozzáférést biztosíthatnak. A nyomkövető beépített GNSS-alrendszere segítségével kiszámíthatja a helyzetét, majd ezt az adatot vezeték nélküli kapcsolaton (például LPWAN-on vagy mobilhálózaton) keresztül megoszthatja a fogadó IoT-alkalmazással.
Az antenna kiválasztása
Az antennák alapvető funkciójukként RF vivőfrekvenciák rezonanciáit kihasználva jeleket közvetítenek az elektromágneses és az elektromos tartományok között. Ez megköveteli, hogy az antenna effektív hossza a vivőjel frekvenciájának egy bizonyos hányada legyen. Ebből következik, hogy a megfelelő antenna kiválasztásakor az antenna mérete fontos tényező. A méret közvetlenül összefügg az antenna működési frekvenciasávjával, amit a kiválasztott vezeték nélküli technológia és az ahhoz tartozó működési frekvencia határoz meg.
Ezenfelül az antenna kivitele is kritikus tényező az alkatrészválasztás során. Az IoT-eszközökre szigorú méretkorlátozás vonatkozhat, ezért az antennákkal szemben elvárás, hogy kis méretűek legyenek, és közben nagy teljesítményt nyújtsanak. Gyakran szükséges a szigetelés, különösen olyan eszközök esetén, mint a távérzékelők és az okosmérők, amikkel szemben elvárás, hogy zord körülmények között üzemeljenek hosszú időn keresztül.
Egy, az IoT-alkalmazásokban jellemzően használt, adott frekvenciasávokra és vezeték nélküli technológiákra optimalizált, NYÁK-ra szerelhető, belső és külső antennákat kínáló termékválaszték segítségével a tervezők könnyebben megtalálhatják az alkalmazásukhoz leginkább megfelelő típust. Ilyen például a Mouser Electronics kínálatában szereplő Amphenol RF antennaportfólió, amelyben különböző típusok és méretek, forrasztott vagy koaxiális csatlakozók, valamint speciális technológiákra (például NFC és GNSS antennákra) optimalizált alkatrészek egyaránt megtalálhatók.
NFC-antennák
Az NFC-alkalmazásokhoz történő antennaválasztást számos tényező befolyásolja. Az NFC 13,56 Mhz-en működik, így az optimális kommunikáció biztosítása érdekében az antennát úgy kell megtervezni, hogy ezen a meghatározott frekvencián rezonáljon. A drótfonatos és hurokantennák jellemzően kész alkatrészként megvásárolhatók.
Míg az effektív antennahosszt a működési frekvencia határozza meg, az NFC-antennáknak jelentős szerepük van az eszköz beágyazott mikrokontollerének, memóriájának és egyéb elemeinek (például biztonsági IC) energiaellátásában is, begyűjtve az olvasóeszköz által kibocsátott RF-mezőből származó energiát, így biztosítva az igényelt adatok összegyűjtését és továbbítását. Az Amphenol RF NFC-antennáinak mérete 15 × 19 mm és 45 × 34 mm közé esik. A végső döntést olyan tényezők is befolyásolják, mint az eszköz fizikai kialakítása és az elvárt kiolvasási távolság. Általánosságban elmondható, hogy a kisebb antennák kompaktabbak, de kisebb olvasási távolságot nyújtanak, míg a nagyobb méretű antennák kiolvasási távolsága is nagyobb. Az eszközön vagy alkalmazáson belül rendelkezésre álló hely határozza meg az antenna méretét.
Egyes NFC-antennák érzékenyebbek lehetnek a tájolásra, mint mások, így a pontos modell kiválasztása és az eszközön belüli optimális elhelyezése különös körültekintést igényel. Az antenna lehet az áramköri lapra integrált vagy a burkolathoz rögzített.
Fémtárgyak, elektromos interferencia és egyéb környezeti tényezők szintén hatással lehetnek az antenna teljesítményére. Ilyen esetekben árnyékolásra vagy megfelelő elhelyezésre lehet szükség. Az NFC-chip/modul és az antenna közötti megfelelő impedanciaillesztés kulcsfontosságú az energiaátvitel maximalizálása és a jelveszteség minimalizálása érdekében.
Antennák a leggyakrabban használt technológiákhoz
Az olyan elterjedt technológiákhoz, mint a Bluetooth, a 2,4 Ghz-es WiFi, a mobilhálózatok vagy az LPWAN antennák széles választéka áll rendelkezésre nyákra szerelt, belső és külső kivitelben egyaránt. A választást olyan tényezők határozzák meg, mint az eszköz fizikai kialakítása, méretkorlát és az elvárt kommunikációs távolság.
Az úgynevezett ISM-sávokban, a 2,4 GHz-es ipari, tudományos és orvosi területeken használt Bluetooth és WiFi 2/3/4 alkalmazásokhoz chip-méretű antennák állnak rendelkezésre. Ilyen például az Amphenol RF ST0147-00-011-A. Ennek a kerámia-chipes hurokantennának a mérete 3,05 × 1,6 mm, vastagsága pedig csupán 0,55 mm. 2 W-os RF-teljesítmény kezelésére képes. Kis mérete mellett ez a felületre szerelhető antenna alkalmas a nagy sebességű automatizált összeszerelésre, és teljes egészében a tokozásban helyezkedik el, így könnyen szigetelhető, és rendezett megjelenést tesz lehetővé.
Az Amphenol RF család két kerámia-chip antennát is kínál 433 MHz-es és 915 MHz-es LoRa LPWAN alkalmazásokhoz. Ezek az 1 W-os 5,0 × 3,0 × 0,5 mm méretű antennák minimális helyet foglalnak a NYÁK-on, és 0,9-es csúcserősítéssel rendelkeznek, hogy lehetővé tegyék a LoRa protokollon keresztüli, nagy távolságba folytatott kommunikációt.
A külső antennák jellemzően monopól vagy dipól kialakításúak. A monopól típus egyetlen vezetékből áll, ami egy földelő síkot igényel a rádióhullámok visszaveréséhez és a sugárzási minta kialakításához. A mintázat minden irányú. A dipólus antennák két vezető elemet tartalmaznak, amiket egy rés választ el egymástól. Ezek gyakran félhullámhosszú antennák, általában hosszabbak a monopól antennáknál, cserébe jellemzően nagyobb erősítést és kétirányú sugárzási mintázatot biztosítanak. Az antenna erősítése közvetlen hatással van az eszköz hatótávolságára és lefedettségére. A nagyobb erősítéssel rendelkező antennák nagyobb kommunikációs hatótávolságot biztosítanak.
Az Amphenol RF ST1226-30-501 és ST1226-30-001 (1. ábra) két külső, 5 W-os többfrekvenciás antenna, amelyek a 2,4–2,5 GHz, a 5,15–5,85 GHz és a 5,925–7,125 GHz frekvenciatartományokban működnek. Megfelelő választás WiFi-alkalmazásokhoz egészen a legújabb WiFi 6 generációig. Ezeknek a monopól antennáknak az erősítése 2,0 dB-től indul a 2,4 GHz-es sávban és 5,1 dB-ig terjed az 5,925–7,125 GHz-es sávban.
1. ábra Amphenol RF ST1226-30-001 külső antenna (Forrás: Mouser Electronics)
A mobilhálózat használata gyakori választás az olyan kis méretű eszközök estében, mint a mozgó vagyontárgyakra (autók, furgonok, építőipari járművek, hordozható generátorok) rögzíthető nyomkövetők. Az ilyen alkalmazások esetében egy belső antenna használata lehet a megfelelő, ami lehetővé teszi a kevésbé feltűnő telepítést, és kevésbé teszi ki a törékeny alkatrészeket az esetleges sérüléseknek. Másrészről egy nagyobb, külső antenna alkalmas lehet olyan eszközökhöz, mint például egy több IoT-végpontból adatot gyűjtő átjáró, ami a begyűjtött adatokat mobilhálózaton keresztül továbbítja a felhőbe.
Például az Amphenol RF ST0425-20-401-A egy ilyen, a 0,69-0,96 GHz és 1,7-5,0 GHz frekvenciatartományokban működő, a keskeny sávú IoT-t (Narrowband Internet of Things – NB-IoT) is magában foglaló mobilhálózatos alkalmazásokhoz használható belső antenna. Mérete 90 × 15 × 0,85 mm, egy 195 mm-es koaxiális kábellel és csatlakozóval rendelkezik az áramöri laphoz való csatlakozáshoz.
1 W-nyi RF-teljesítmény kezelésére és a frekvenciasávtól függően 2,1-4,2-es csúcserősítésre képes.
2. ábra Az Amphenol RF ST0425-20-401-A belső antenna (Forrás: Mouser Electronics)
GNSS-antennák
A GNSS-antennák különböző formákban (például kerámia-patch antenna) kaphatók. Ez a típus körkörös polarizációval rendelkezik, ami nagy érzékenységet biztosít a műholdas jelekre. Az olyan eszközök tervezése során, mint például egy műholdas nyomkövető, a tervezőknek gondoskodniuk kell róla, hogy a kiválasztott antenna támogassa a megfelelő műholdrendszereket. Az Amphenol RF ST0326-41-001-A egy SMA-csatlakozós antenna, alkalmas a tipikus GNSS L1-sávú alkalmazásokban történő felhasználásra 1575,42 MHz-en, valamint 1602 MHz-en, amely az orosz GLONASS műholdrendszer elsődleges frekvenciasávja. A csatlakozókábel és a csatlakozó segíti a tervezőket annak megvalósításában, hogy az antennát a világűr felé pozicionálhassák.
Összefoglalás
Az IoT-alkalmazásokhoz használt antennák kiválasztása során a méret és a kivitel kritikus szempontok. Általában a nagy méretű, külső antennák nyújtják a legkedvezőbb RF-teljesítményt. Másrészt a belső felszerelést gyakran részesítik előnyben, annak érdekében, hogy garantálják a környezeti behatásoknak való ellenállást, a könnyebb használatot és a jobb hordozhatóságot, a felületre szerelhető antennák pedig extrém méretkorlátok esetén jelenthetnek megoldást. A széles körű választék a tervező legfőbb támasza az elektromos és fizikai tulajdonságok legjobb kombinációjának megtalálásában.
Szerző: Mark Patrick – Mouser Electronics
Mouser Electronics
Hivatalos forgalmazó
www.mouser.com
Kövessen bennünket az X-en:
https://twitter.com/MouserElecEU
