Jak wybrać antenę do aplikacji IoT - poradnik

Na początku warto zaznaczyć, że parametry rzeczywistych anten są zazwyczaj podawane w odniesieniu do anteny izotropowej. Jest to teoretyczna, idealna konstrukcja, która promieniuje energię jednakowo we wszystkich kierunkach, a jej sprawność wynosi 100%.

EIRP i parametry podstawowe

Rys. 1. Antena wykonana w postaci mozaiki na PCB

EIRP (Effective Isotropic Radiated Power) jest to zastępcza moc promieniowana izotropowo. Oznacza to moc, którą należałoby zasilać antenę izotropową, żeby gęstość mocy w jej otoczeniu była taka sama, jak gęstość mocy w kierunku maksymalnego promieniowania rzeczywistej anteny, w której występują straty mocy.

Zysk energetyczny (gain) informuje natomiast o tym, że nie cała moc doprowadzona do zacisków wejściowych jest w antenie przekształcana w promieniowaną falę. Straty w antenie, przede wszystkim cieplne, charakteryzuje jej sprawność energetyczna.

Sprawność energetyczna jest to stosunek mocy promieniowanej przez antenę do mocy na zaciskach wejściowych. Zysk energetyczny oprócz sprawności anteny opisuje również jej właściwości kierunkowe. Parametr, który określa w jakim stopniu antena może skupić energię to jej zysk kierunkowy (directivity), czyli stosunek gęstości promieniowania w danym kierunku do średniej gęstości promieniowania. Największy zysk kierunkowy (kierunkowość) jest podawany w odniesieniu do anteny izotropowej.

Charakterystyki promieniowania

Kierunkowość opisuje, ile razy gęstość promieniowania anteny w kierunku maksymalnego promieniowania jest większa, niż gęstość promieniowania anteny izotropowej, wówczas gdy obie anteny promieniują jednakową moc. Z kolei charakterystyki promieniowania obrazują, jak antena promieniuje energię w zależności od kierunku.

Przedstawiają one unormowany rozkład pola elektrycznego lub względny rozkład powierzchniowej gęstości mocy. Charakterystyki promieniowania są wyznaczane w dwóch płaszczyznach, w poziomej oraz w pionowej.

Charakterystyki promieniowania mogą być również przedstawiane w postaci trójwymiarowej. Na ich podstawie można określić kierunek oraz poziom wiązki głównej i, zazwyczaj niepożądanych, wiązek bocznych i wstecznych. Wyznacza się także kąt połowy mocy. W tym celu należy odnaleźć na charakterystyce punkty, w których natężenie pola spada o 3 dB.

Kolejną ważną właściwością jest polaryzacja anteny. Decyduje o niej kształt figury, która jest "zakreślana" przez koniec wektora natężenia pola elektrycznego w czasie propagacji fali. Rozróżnia się polaryzację kołową (eliptyczną), lewoskrętną i prawoskrętną oraz polaryzację liniową, poziomą i pionową. Polaryzacja lewoskrętna i prawoskrętna oraz pozioma i pionowa są wzajemnie ortogonalne.

W związku z tym anteny o takich polaryzacjach nie mogą ze sobą współpracować. Następny ważny parametr to impedancja. Na część rzeczywistą impedancji wejściowej anteny składa się rezystancja promieniowania i rezystancja strat. Pierwszy składnik jest związany z mocą wypromieniowaną przez antenę, natomiast drugi odzwierciedla straty cieplne.

Od czego zależy pasmo pracy?

Rys. 2. Przykładowe anteny chipowe

Część urojona impedancji wejściowej anteny stanowi szeregowy obwód rezonansowy. Jest ona związana z energią gromadzoną w polu elektrycznym oraz magnetycznym w strefie bliskiej wokół źródła promieniowania. Dla częstotliwości rezonansowej impedancja ma tylko część rzeczywistą. Reaktancja wejściowa anteny zależy od jej wymiarów geometrycznych.

Pasmo pracy anteny jest odwrotnie proporcjonalne do dobroci obwodu rezonansowego, która natomiast zależy od parametrów obwodu zastępczego anteny. Im większa dobroć, tym węższe pasmo. Duża selektywność anteny jest ważna ze względu na tłumienie niepożądanych sygnałów. Z drugiej jednak strony nie zawsze jest to dobre.

Wąskie pasmo wymaga mniejszej tolerancji elementów dopasowujących. W związku z tym, że część reaktancyjna impedancji anteny zależy od jej wymiarów geometrycznych to, żeby poszerzyć pasmo pracy anteny można jedynie celowo zwiększyć straty. Wówczas jednak niestety maleje jej sprawność.

Dopasowanie anteny

Dopasowanie oznacza, że impedancja charakterystyczna linii jest taka sama jak anteny. Inaczej tylko część transmitowanego sygnału zostanie wypromieniowana przez antenę. Stopień dopasowanie opisują aż trzy różne współczynniki. Są to: Γ, RL, ML oraz WFS.

Współczynnik odbicia Γ to stosunek amplitudy fali odbitej do amplitudy fali padającej. Można go również wyznaczyć na podstawie wartości impedancji wejściowej anteny oraz impedancji linii transmisyjnej. Współczynnik odbicia jest wartością zespoloną. Jeśli jego moduł jest równy zero, cała moc fali padającej wydziela się w obciążeniu (antenie).

Straty odbicia, inaczej tłumienie niedopasowania, (Return Loss, RL) określają stosunek mocy fali padającej do mocy fali odbitej, wyrażany w dB. Przy idealnym dopasowaniu współczynnik RL dąży do nieskończoności, gdyż wtedy moc fali odbitej jest równa zero. W przypadku całkowitego odbicia RL wynosi 0.

Związek pomiędzy mocą fali padającej i mocą fali wydzielającą się w obciążeniu charakteryzuje parametr ML (Mismatch Loss). Opisuje on wpływ, jaki ma odbicie na moc promieniowaną przez antenę. RL i ML można obliczyć na podstawie wartości współczynnika odbicia. Przy niedopasowaniu anteny do linii transmisyjnej w linii powstaje fala stojąca, która jest superpozycją fali padającej oraz fali odbitej.

Opisuje ją współczynnik VSWR (Voltage Standing Wave Ratio), czyli stosunek maksymalnej amplitudy napięcia do amplitudy minimalnej. Może on przyjmować wartości od 1 (idealne dopasowanie), do nieskończoności (całkowite odbicie).

Przegląd typów anten

Rys. 3. Anteny prętowe proste oraz helikalne

Projektując urządzenia bezprzewodowe wybierać można spośród różnych typów anten. Dalej przedstawiamy zalety i ograniczenia trzech z nich, najczęściej używanych do komunikacji na krótkich odległościach. Są to anteny PCB, anteny chipowe i anteny zewnętrzne prętowe (bat, whip).

Do zalet anten wykonywanych jako mozaika na PCB zalicza się bardzo niski koszt. Ponadto w zakresie częstotliwości poniżej 868 MHz charakteryzują je bardzo dobre parametry transmisji. W zakresie wysokich częstotliwości zaletą anten PCB są małe rozmiary. Za ich użyciem przemawia również duża dostępność anten o standardowych parametrach.

Do ograniczeń anten wykonywanych w postaci ścieżek na laminacie zalicza się natomiast trudność uzyskania wymaganych parametrów dla częstotliwości mniejszych, niż 433 MHz. Jeżeli z kolei dostępne miejsce jest ograniczone, lepiej jest wybrać anteny chipowe.

Ich zaletą są bowiem niewielkie rozmiary, nawet przy częstotliwościach poniżej 1 GHz. Do ich ceny należy również doliczyć koszt montażu. Oprócz tego często, mimo zapewnień producentów o tym, że impedancja wejściowa anteny tego rodzaju ma standardową wartość 50 Ω w danym paśmie częstotliwości, nie jest to pewne.

Dla osiągnięcia zakładanych parametrów transmisji przy użyciu anten chipowych wymagany jest dodatkowy element dopasowujący. Z uwagi na to zaletą anten prętowych jest natomiast bardzo niski koszt, zaś wadą spore rozmiary.

Warto się jednak na nie zdecydować, jeżeli priorytetem są jak najlepsze parametry transmisji. Są to bowiem przeważnie anteny typu monopol i mają dookólną charakterystykę promieniowania. Aby maksymalnie wykorzystać ich zalety anteny prętowe powinno się montować prostopadle do płaszczyzny masy. Dla niższych częstotliwości można zastosować wersję helikalną, z prętem skręconym w postaci cewki, dzięki czemu długość promiennika jest mniejsza.

Monika Jaworowska