Anteny do aplikacji IoT
| TechnikaW branży elektroniki panuje powszechna zgoda co do prognoz przewidujących gwałtowny rozwój i wzrost popularności produktów IoT w najbliższej dekadzie. Jednym z najważniejszych czynników wpływających na użyteczność tego typu urządzeń jest ich maksymalny zasięg komunikacji, zaś na wartość tego parametru ogromny wpływ ma typ oraz rodzaj zamontowanej w urządzeniu anteny. W tekście przedstawiono podstawowe główne typy anten wykorzystywane w systemach IoT oraz opisano ich najważniejsze cechy.
W świecie IoT istnieje obecnie bardzo dużo różnych standardów komunikacyjnych pozwalających modułom komunikować się zarówno wzajemnie ze sobą, jak i (często poprzez dedykowane bramki) uzyskać dostęp do Internetu. Rozwiązania te działają w różnych zakresach częstotliwości, choć generalnie mieszczą się w nielicencjonowanych pasmach ISM, przede wszystkim 915 MHz (dla łączności dalszego zasięgu, jak np. LoRaWAN) oraz 2,4 GHz (Bluetooth, Wi-Fi).
Rodzaj standardu komunikacyjnego, a w zasadzie częstotliwość wykorzystywana przez ten standard jest podstawowym czynnikiem warunkującym dobór anteny. W urządzeniach IoT często bardzo dużym ograniczeniem jest również rozmiar całego układu (zazwyczaj niewielki, kompaktowy, o nieregularnym kształcie), co wymusza wykorzystanie anten o małych wymiarach lub nawet o specjalnym kształcie, dopasowanym do wymagań produktu.
IoT a anteny wąskopasmowe
Wymagania dla rozwiązań komunikacyjnych w systemach IoT znacznie różnią się od bezprzewodowych standardów łączności o wysokiej przepustowości, które osiągają takie parametry dzięki szerokiemu pasmu pracy oraz zaawansowanym metodom modulacji sygnału. W przeciwieństwie do systemów takich jak 5G, w produktach IoT nie ma potrzeby stosowania zaawansowanych struktur oraz szyków antenowych.
Jak już wspomniano, rozwiązania IoT korzystają z nielicencjonowanego pasma ISM w zakresach poniżej 6 GHz, przy wąskim paśmie transmitowanego sygnału, nieprzekraczającym z reguły 5 MHz. Sieci IoT, w zależności od przyjętego rozwiązania, zbudowane są w oparciu o topologię gwiazdy, kraty lub point-to-point. Do poprawnej realizacji komunikacji wystarczające jest zazwyczaj zastosowanie anteny dookólnej – do najczęściej stosowanych typów anten w systemach IoT zalicza się anteny chipowe, PCB oraz typu bat. Znaczna większość gotowych modułów komunikacyjnych do rozwiązań IoT wyposażona jest już przez producenta we wbudowane anteny (chipowe lub PCB), często istnieje jednak możliwość dołączenia własnego urządzenia do jednego z wejść modułu. Ponadto nie każdy projekt IoT zakłada wykorzystanie gotowych modułów komunikacyjnych – w przypadku przygotowywania własnego rozwiązania niezbędne jest znalezienie oraz integracja w systemie właściwie dobranej anteny.
Parametry anteny
Antenę każdego typu opisać można za pomocą dwóch podstawowych parametrów: zysku energetycznego oraz kierunkowości (zysku kierunkowego). Kierunkowość wyraża zdolność anteny do koncentrowania emitowanej energii w określonym kierunku w stosunku do pracującej z takim samym sygnałem wejściowym anteny wzorcowej. Jako antenę wzorcową stosuje się antenę izotropową (teoretyczna antena o zerowych wymiarach, która emituje fale elektromagnetyczne bez strat, jednakowo w każdym kierunku przestrzeni) lub dipol półfalowy. W zależności od wybranego źródła odniesienia stosuje się inne jednostki miary. Zysk w stosunku do anteny izotropowej wyraża się w dBi, zaś w odniesieniu do dipola półfalowego w dBd. Oba zyski nie są sobie równe – do obliczeń można przyjąć, że dBi=dBd+2,15 dB. Anteny dookólne mają dość zbliżone charakterystyki promieniowania we wszystkich kierunkach, podczas gdy anteny kierunkowe znakomitą większość energii emitują w określonych kierunkach. Zysk energetyczny określa się podobnie jak zysk kierunkowy, uwzględniając dodatkowo straty rzeczywistej anteny, przy założeniu bezstratności anteny wzorcowej.
Urządzenia transmisyjne wykorzystujące nielicencjonowane pasma ISM, w tym również systemy IoT, muszą spełniać wymagana odnośnie do maksymalnych parametrów energetycznych narzucone przez instytucje regulujące (jak na przykład amerykański FCC, czyli Federal Communications Commission), aby móc uzyskać certyfikat dopuszczający do obrotu tego typu produktem na terenie wybranych krajów. Normy FCC określają maksymalną wartość parametru EIRP (Equivalent Isotropical Radiated Power lub Eff ective Isotropical Radiated Power) dopuszczalną dla nadajnika. EIRP, czyli efektywna (zastępcza) moc wypromieniowana izotropowo to parametr określający moc, jaką musiałaby wypromieniować antena izotropowa, aby w odbiorniku otrzymać taki poziom sygnału, jaki wystąpiłby przy wykorzystaniu anteny badanej w kierunku jej maksymalnego promieniowania. Na wartość EIRP wpływ mają takie czynniki jak zysk anteny, moc wyjściowa układu nadawczego oraz straty w torze nadawczym (tłumienność kabla, wzajemne dopasowanie anteny oraz nadajnika). Wartość EIRP wyznacza się poprzez przeprowadzenie pomiarów w warunkach laboratoryjnych.
Rodzaje anten w urządzeniach IoT
Typowe rodzaje anten stosowane w układach IoT to anteny prętowe (typu bat, rubber duck lub paddle), chipowe oraz PCB. Niekiedy wykorzystuje się również bardziej skomplikowane anteny wielozakresowe (multiband) lub typu fl exible, które mogą być dopasowywane do kształtu urządzenia (przydatne np. przy konstruowaniu dronów).
Jak uprzednio wspomniano, najważniejszym zagadnieniem jest dostosowanie pasma anteny do zakresu częstotliwości użytkowanego standardu komunikacyjnego. W tabeli 1 przedstawiono podsumowanie najpopularniejszych protokołów komunikacyjnych dla IoT wraz z odpowiadającymi im częstotliwościami pracy. Większość standardów korzysta z nielicencjonowanego pasma ISM, jednak dla rozwiązań specjalistycznych, związanych z branżą medyczną (MBAN, Medical Body Area Networks) oraz lotniczą (WAIC, Wireless Avionics Intra Communications), przeznaczono osobne, dedykowane pasma pracy.
Anteny prętowe a płaszczyzna masy
Poza pasmem pracy, jednym z niewątpliwie najważniejszych parametrów anteny, szczególnie z punktu widzenia systemu IoT, jest jej rozmiar. Anteny prętowe nie są integrowane z płytką PCB, lecz dołączane jako dodatkowy układ zewnętrzny. Z tego powodu mogą być szczególnie wygodne w procesie prototypowania, jednak niekoniecznie dobrze sprawdzą się w przypadku produktu końcowego, zwłaszcza dla urządzeń o mniejszych rozmiarach. Są to anteny typu monopol – a więc dipol, w którym jedna z połówek zastępowana jest przez płaszczyznę masy.
W tego typu rozwiązaniach płaszczyznę masy stanowi często ekranowanie kabla koncentrycznego dołączonego do anteny. Anteny o większych rozmiarach mogą być wyposażane w tzw. radiale, czyli przewody biegnące prostopadle do anteny i tworzące płaszczyznę masy (przeciwwagę). W sytuacji idealnej płaszczyzna masy symuluje obecność drugiej połówki dipola, zapewniając identyczną charakterystykę promieniowania. W rzeczywistości charakterystyka ta jest tym bardziej zbliżona do charakterystyki dipola, im niższa jest rezystancja płaszczyzny masy. W praktyce polega to na zapewnieniu płaszczyzny masy o wystarczających rozmiarach (nie mniej niż ćwierć długości fali sygnału) oraz umieszczonej prostopadle do anteny.
Anteny prętowe mogą być wykonane w taki sposób, aby zapewniać określony stopień ochrony IP. Bez większego trudu znaleźć można produkty o IP67 lub IP68, co ma szczególne znaczenie w przypadku aplikacji przeznaczonych do użytku zewnętrznego, do pracy w trudnych warunkach, w obecności wody czy zapylenia.
Anteny typu patch
Anteny typu patch używane są zazwyczaj w systemach korzystających z nawigacji GPS. Sygnał transmitowany przez nadajniki satelitarne ma polaryzację kołową prawoskrętną (RHCP), która po jednokrotnym odbiciu sygnału przechodzi w polaryzację lewoskrętną (LHCP). Anteny typu patch to anteny kierunkowe dostosowane do odbioru sygnału o określonej polaryzacji. Przykład pokazano na rysunku 3.
Anteny chipowe oraz PCB
Anteny chipowe oraz formowane na PCB są zapewne najpopularniejszym rozwiązaniem w przypadku produktów IoT, m.in. ze względu na swoje niewielkie rozmiary, co w wielu aplikacjach ma krytyczne znaczenie.
Anteny PCB formowane są poprzez utworzenie odpowiedniej mozaiki ścieżek na płytce PCB. Istnieje wiele sposobów i schematów konstruowania tego typu anten, bardzo ważne jest również wykonanie odpowiedniej płaszczyzny masy. Niewątpliwą zaletą anten PCB jest ich bardzo niski koszt oraz brak konieczności jakiegokolwiek montażu. Z drugiej strony, do wykonania anten o dobrych parametrach, szczególnie dla wyższych częstotliwości, konieczne jest zapewnienie bardzo wysokiej dokładności oraz powtarzalności w procesie produkcji płytki drukowanej oraz użycia niskostratnego podłoża.
Charakterystyka promieniowania anteny chipowej często cechuje się nieco kardioidalnym kształtem, mając lepsze właściwości dla jednego wybranego kierunku promieniowania. Układy te cechują się bardzo małymi rozmiarami (często mniejszymi niż dla anten PCB przeznaczonych dla tego samego zakresu częstotliwości), zazwyczaj mają jednak małą sprawność energetyczną. Do całkowitego kosztu wykorzystania tych anten doliczyć należy też koszt montażu. W ogólności układy te cieszą się jednak bardzo dużą popularnością – za cenę nieco niższego zasięgu pozwalają znacząco zredukować rozmiary urządzenia.
Anteny kierunkowe do IoT
W niektórych systemach IoT zastosowanie znaleźć mogą również anteny kierunkowe, jak anteny Yagi lub sektorowe. Ich wykorzystanie ma sens przede wszystkim w rozwiązaniach stacjonarnych, np. w systemach przemysłowych, inteligentnym domu i mieście lub systemach SCADA. Tego typu anteny pozwalają wydłużyć zasięg oraz prędkość transmisji. Często montowane są w stacjach bazowych obsługujących standardy takie jak LoRa lub SigFox – zespół kilku tego typu anten umieszczonych obok siebie pozwala zapewnić dookólne (o wartości 360°) pokrycie radiowe całego obszaru.
Inne ważne czynniki – szumy własne oraz przeszkody
Właściwości anteny nie są jedynym czynnikiem mającymi wpływ na jakość komunikacji. Inne komponenty znajdujące się w urządzeniu mogą być potencjalnie źródłem sygnału zakłócającego uniemożliwiającego poprawny odbiór/transmisję sygnału użytecznego. Poziom szumów własnych urządzenia musi być szczegółowo analizowany już na etapie projektowania urządzenia oraz płytki PCB – do typowych źródeł jego nadmiernej wartości zalicza się błędnie poprowadzone ścieżki, brak ekranowania kluczowych elementów oraz odpowiedniej płaszczyzny masy.
Komunikację zakłócić może również obecność różnego typu przeszkód na drodze propagacji sygnału, powodujących jego odbicie lub rozproszenie. Przeszkodami takimi mogą być zarówno obudowa urządzenia, jak i elementy architektury (ściany budynku) czy środowiska naturalnego (drzewa, wzniesienia terenu). W tabeli 2 przedstawiono popularne sposoby pozwalające na wydłużenie zasięgu komunikacji.
Krzysztof Sieczkarek
|
Podsumowanie
Branża IoT obejmuje bardzo wiele bardzo zróżnicowanych aplikacji o całkowicie odmiennych wymaganiach. Dostosowując się do tych uwarunkowań, opracowano wiele różnych protokołów oraz standardów komunikacyjnych. Podobnie wygląda sytuacja w przypadku anten – różne wymagania aplikacji mogą spowodować konieczność stosowania różnych ich typów.
Przykładowo, rozwiązania przemysłowe mogą wymagać komponentów odpornych na ciężkie warunki środowiskowe oraz zapewniających wysoce niezawodną komunikację, pozwalającą np. na bezbłędne przeprowadzenie procesu aktualizacji oprogramowania w locie (OTA, over-the-air) w każdych warunkach. Rozległe sieci czujników będą za to wymagać anten zapewniających daleki zasięg komunikacji. Rozwiązania biomedyczne składające się z połączonych ze sobą czujników noszonych (wearables) najprawdopodobniej skorzystają z anten o niewielkich rozmiarach – chipowych lub PCB. Systemy stacjonarne mogą odnieść bardzo dużą korzyść z zastosowania anten kierunkowych, pozwalających zmniejszyć moc, wydłużyć zasięg lub zwiększyć szybkość transmisji.
Damian Tomaszewski
