Wielopasmowe anteny do aplikacji IoT zapewniają oszczędność miejsca i kosztów

Tradycyjne podejście do wyboru anteny mówi o użyciu radiatora o długości równej połowie długości fali radiowej. W przypadku anteny dipolowej oznacza to 6,25 cm dla pasma 2,4 GHz, co jest wartością stosunkowo dużą w stosunku do miejsca i wielkości, jaką zajmują rozwiązania IoT. W IoT miejsce jest zazwyczaj na wagę złota, więc umieszczenie stosunkowo długiej anteny jest bardzo trudne. Po drugie, urządzenia te w komunikacji radiowej używają wielu częstotliwości radiowych i coraz częściej zawierają kilka modułów komunikacyjnych, np. Bluetooth LE, Wi-Fi, GPS lub mają modem komórkowy. Oznacza to konieczność umieszczenia wielu anten, z których każda wymaga własnego obwodu dopasowującego, co zwiększa koszt, złożoność i zajmowane miejsce w obudowie.

Anteny w wersji embedded, a więc do integracji wewnątrz urządzenia, umożliwiają znalezienie kompromisu dla wielu problemów związanych z dostępnym miejscem i kosztem realizacji aplikacji IoT, i pracują w wielu pasmach radiowych. Rozwiązania te charakteryzują się zwartą konstrukcją, małymi wymiarami i możliwością pracy w kilku różnych zakresach częstotliwości z dobrą wydajnością. Za tymi zaletami kryje się oczywiście kompromis: w identycznej aplikacji wydajność zintegrowanej anteny wielopasmowej będzie niestety gorsza od wersji jednopasmowej. To sprawia, że jeszcze ważniejsze jest, aby projektant ściśle przestrzegał wytycznych projektowych, by zmaksymalizować wydajność użytej anteny na wszystkich częstotliwościach pracy.

Zapewnienie wydajnej komunikacji radiowej to zagadnienie, które wykracza poza sam wybór i ustawienie pozycji anteny, gdyż stanowi ona jedynie część całego toru radiowego. Antena musi zostać starannie sparowana z płaszczyzną masy na płytce drukowanej i obwodem dopasowującym impedancję. Każdy z tych elementów znacząco wpływa na ogólną wydajność systemu antenowego, a konstrukcja obwodu dopasowania impedancji może być szczególnie trudna w realizacji w przypadku miniaturowych anten wielopasmowych.

W tym artykule przedstawiono krótkie wprowadzenie do anten i problemów stojących przed projektantami bezprzewodowych aplikacji IoT. Następnie omówiono właściwości anten wielopasmowych i pokazano, jak zapewnić ich dopasowanie do płaszczyzny masy na PCB i obwodu dopasowania impedancji, aby zoptymalizować wydajność.

Podstawy działania anten

Antena przekształca sygnał napięciowy w.cz. w falę elektromagnetyczną i odwrotnie, a w zagadnieniu optymalizacji jej wydajności chodzi o to, aby jak najwięcej mocy dostarczanej przez nadajnik było wypromieniowane w postaci energii fali radiowej i analogicznie, aby antena pozyskiwała jak najwięcej energii z przychodzącego sygnału do zasilania odbiornika. Skuteczność, z jaką pełni te funkcje, w dużej mierze determinuje zasięg i przepustowość komunikacji w urządzeniach IoT.

Skuteczność anteny (zwykle mierzona w decybelach) zależy od kilku czynników, ale kluczowym czynnikiem jest dopasowana impedancja. Znaczne niedopasowanie między impedancją anteny (która jest obciążeniem dla napięcia na wyjściu nadajnika) a impedancją źródła zasilającego antenę skutkuje słabą skutecznością. Kluczem do zwiększenia skuteczności jest wyrównanie dwóch impedancji (dopasowanie).

Jakakolwiek moc sygnału wytworzonego w nadajniku i odbitego przez antenę z powrotem do linii przesyłowej z powodu niedopasowania impedancji zakłóca transport mocy i tworzy falę stojącą. Powszechną miarą tego, jak dobrze dopasowana jest impedancja, jest napięciowy współczynnik fali stojącej (VSWR). Jego wartość wynosząca 1 oznacza pełne dopasowanie i brak strat mocy, podczas gdy wyższe liczby wskazują na to, że jedynie część mocy nadajnika jest emitowana w eter przez antenę. Na przyprzykład VSWR=3 oznacza, że około 75% mocy nadajnika trafia do anteny. VSWR o wartości 6 lub więcej jest równoznaczny z kiepskim dopasowaniem i taki projekt powinien zostać poprawiony (tabela 1).

Kolejną komplikacją jest to, że impedancja anteny zmienia się wraz z częstotliwością. Nie stanowi to problemu, gdy system działa na jednej częstotliwości, ale w IoT często wykorzystuje się transceivery pracujące na wielu częstotliwościach. Jest to konieczne, aby używać jednocześnie wiele standardów, jak Bluetooth LE (2,4 GHz), Wi-Fi (2,4, 5 i coraz częściej 6 GHz), LTE-M/NB-IoT (działające na kilku pasmach w 700 do 2200 MHz) oraz odbiornika GPS (1227 i 1575 MHz).

Jedną z opcji jest użycie oddzielnej anteny o dopasowanej impedancji dla każdego pasma, ale to podejście znacznie zwiększa złożoność układu, rozmiar i koszty. Alternatywą jest użycie anteny wielopasmowej i zaprojektowanie obwodu dopasowania impedancji działającego skutecznie w całym zakresie częstotliwości roboczych.

Wybór anteny i jej umieszczenie

Na rynku jest kilku dostawców oferujących dopracowane rozwiązania anten w wersji do wbudowania (montażu w aplikacji). Znając zakresy częstotliwości pracy danego produktu, stosunkowo łatwo jest zawęzić do kilku pozycji listę wielu anten znajdujących się w katalogach dystrybutorów. Na przykład firma Ignion (dawniej Fractus Antennas) oferuje szereg anten odpowiednich dla aplikacji IoT, w tym dwa interesujące modele: ALL MXTEND NN02-220 i TRIO MXTEND NN03-310.

NN02-220 to wielopasmowa antena odpowiednia do zastosowań w sieciach komórkowych 2G, 3G, 4G i 5G oraz wąskopasmowych NB-IoT/LTE-M. Ma ona wymiary 24×12×2 mm. Przy odpowiedniej integracji w systemie może ona osiągnąć sprawność do 70% i zapewni VSWR poniżej 3:1. Ma dookólną charakterystyką promieniowania. NN03-310 pracuje w tych samych pasmach częstotliwości sieci komórkowych, co NN02-220, ale jeszcze w zakresach GNSS, Bluetooth LE, Wi-Fi 6E i UWB. Jej wymiary to 30×3×1 mm, sprawność jest zbliżona do 65%, a więc praktycznie tyle samo co w poprzednim modelu, VSWR jest poniżej 3:1, a charakterystyka promieniowania również jest dookólna (rys. 1).

 

Rys. 1. Antena NN03-310 fi rmy Ignion obsługuje sieci komórkowe, GNSS, aplikacje RF, Wi-Fi i UWB

Po wybraniu wbudowanej anteny następnym krokiem jest opracowanie jej płaszczyzny uziemienia tworzącej przeciwwagę. Jej powierzchnia ma duży wpływ na wydajność komunikacji. Na przykład przy częstotliwości 900 MHz, płaszczyzna masy o powierzchni 10 cm² może zapewnić wydajność 30%, a 40 cm² zwiększy ją do 60%. Dlatego, w ramach dostępnego miejsca, dobrą praktyką projektową jest użycie jak największej płytki drukowanej, a następnie wzięcie jej jednej pełnej warstwy jako przeciwwagi dla anteny. Należy zauważyć, że wraz ze wzrostem częstotliwości pracy wielkość tej płaszczyzny uziemiającej ma coraz mniejszy wpływ na jej wydajność. Powyżej kilku GHz wpływ ten jest już znikomy.

Położenie anteny na płytce drukowanej ma również duży wpływ na nadawanie i odbiór. Wytyczne producenta zalecają umieszczenie jej w rogu i jak najdalej od innych elementów oraz źródeł zakłóceń elektromagnetycznych. Dla poziomów mocy wykorzystywanych w sieciach komórkowych dla aplikacji IoT 20-milimetrowy odstęp od innych komponentów jest uznawany za minimalny. Płaszczyzna przeciwwagi powinna być od anteny odsunięta.

Płytka drukowana i ścieżki łączące antenę z resztą układu powinny być jedynymi połączeniami miedzianymi w okolicy. Dobrą praktyką jest również umiejscowienie anteny z dala od śrub obudowy, wsporników i innych metalowych części mechanicznych. Na przykład na płytce projektowej IoT nRF6943 firmy Nordic Semiconductor antena jest umieszczona po jednej stronie płytki i między nią a innymi komponentami jest przerwa. Jest ona też umiejscowiona w odległości od śruby montażowej (rys. 2).

 

Rys. 2. Płytka projektowa nRF6943 do IoT z zaznaczonym położeniem anteny u góry i dużym odstępem (częściowo zakrytym białą etykietą) od innych komponentów

Zestaw nRF6943 przeznaczony jest do projektowania aplikacji IoT wykorzystujących komunikację bezprzewodową Bluetooth LE, LTE-M/NB-IoT razem z GPS-em.

Układ dopasowujący

Najważniejszą częścią systemu antenowego jest obwód dopasowania impedancji, który znajduje się pomiędzy anteną a transceiverem. Odpowiada on za ograniczenie strat mocy podczas transmisji i spadek czułości w czasie odbioru poprzez dopasowanie impedancji anteny do układu nadajnika (zwykle 50 Ω).

Zadaniem projektanta jest nie tylko stworzenie odpowiedniej topologii tego obwodu, ale także dobranie wartości cewek i kondensatorów w celu przekształcenia impedancji źródła napięcia tak, aby pasowała do impedancji anteny. Zastosowanie elementów o dużej dobroci i o małej tolerancji zwiększa jakość dopasowania. W przypadku pracy w jednym paśmie częstotliwości, na przykład 2,4 GHz, projekt układu dopasowującego jest stosunkowo prosty, ale w przypadku rozwiązań wielopasmowych konstrukcja staje się znacznie bardziej złożona.

Aby pomóc projektantom, producenci anten, tacy jak Ignion, dostarczają oprogramowanie, ułatwiając to zadanie. Po wprowadzeniu jako dane rozmiaru płytki, wybraniu anteny, określeniu wymagań dotyczących pasma częstotliwości pracy i parametrów współczynnika odbicia S11, który jest wskaźnikiem wydajności, można nie tylko zaprojektować obwód dopasowania, ale także wyliczyć wartości komponentów. Jeśli płytka jest wystarczająco duża, możliwe jest zaprojektowanie systemu antenowego z tylko jedną anteną i obwodem dopasowującym, spełniającego wymagania systemu wielopasmowego.

Dla małych płytek (a tym samym niewielkich płaszczyzn uziemiających), system antenowy na wiele pasm z pojedynczym obwodem dopasowującym może nie działać dobrze. Jednym z rozwiązań zastosowanym w nRF6943 firmy Nordic jest wówczas użycie kilku sieci dopasowania i przełączanie ich z użyciem MCU. Poprawia to wydajność we wszystkich zakresach częstotliwości, z wadą polegającą na zwiększeniu kosztów i złożoności w porównaniu z pojedynczym obwodem dopasowującym. Te wady są w pewnym stopniu łagodzone, ponieważ każdy obwód dopasowujący musi przekształcić impedancję tylko dla jednego pasma częstotliwości i składa się tylko z kilku elementów.

 

Rys. 3. Projekt referencyjny z anteną NN03-310 i komunikacją wielopasmową z zaznaczoną pozycją obwodów dopasowujących

Rysunek 3 pokazuje antenę NN03-310 użytą w projekcie referencyjnym. Została ona umieszczona na małej płytce drukowanej przy użyciu trzech obwodów dopasowujących (matching network, MN). Sekcje "a"–"c" działają w pasmach komórkowych 824–960 MHz i 1710–1990 MHz; "d" oraz "e" w zakresie GNSS 1561–1606 MHz; a sekcja "f" w paśmie 2,4 GHz (Bluetooth LE lub Wi-Fi). Rysunek 4 przedstawia gotowy projekt i wartości komponentów dla części tego obwodu (sekcja a, b i c), z kolei rysunek 5 zawiera symulację wydajności tego projektu.

 

Rys. 4. Obwód dopasowujący dla sekcji a, b i c (sieć komórkowa) pokazany na rysunku 3 z wartościami komponentów obliczonymi za pomocą oprogramowania Ignion

Testowanie systemu antenowego

Mimo że oprogramowanie obwodu dopasowującego zapewnia dobre oszacowanie odpowiedzi częstotliwościowej i skuteczności systemu antenowego, rzeczywisty prototyp musi zostać przetestowany, aby upewnić się, że antena zapewnia nie tylko zasięg, ale także charakterystykę dookólną.

Pierwszy pomiar można wykonać, podłączając do anteny cienki kabel koncentryczny 50 Ω, uziemiony w trzech lub czterech punktach płytki drukowanej, a następnie podłączyć ten kabel do analizatora. Wyniki zilustrują nie tylko wydajność, ale także pasmo przenoszenia i szerokość pasma. Pomiar ten zazwyczaj ujawnia, czy konieczna jest korekta parametrów elementów dopasowujących.

 

Rys. 5. Symulacja VSWR i wydajności systemu antenowego dla projektu referencyjnego pokazanego na rysunku. 3, z wykorzystaniem NN03-310 i obwodu dopasowującego obliczonego przez oprogramowanie Ignion

Firma Ignion dostarcza do badań anten NN02-220 i NN03-310 płytki ewaluacyjne o oznaczeniach: EB_NN02-220-1B-2R-1P i EB_NN03-310-M+5G. Zestawy zawierają antenę, obwody dopasowania impedancji oraz mają podłączony 50-omowy kabel koncentryczny (rys. 6).

 

Rys. 6. Płytki ewaluacyjne dla anten firmy Ignion zawierają gotowy do podłączenia do analizatora sieci kabel koncentryczny 50 Ω

Projektant może podłączyć płytki ewaluacyjne do analizatora sieci, aby zapoznać się z charakterystyką częstotliwościową, jakiej może oczekiwać od projektu bazującego na takim rozwiązaniu referencyjnym.

Ostateczne badanie wydajności komunikacji radiowej powinno być wykonane w komorze bezechowej. Taki końcowy test często ujawnia problemy z kierunkowością i wydajnością dla określonych zakresów częstotliwości, które nie są widoczne podczas testowania z użyciem analizatora sieci. Mogą wymagać zmiany typu użytej anteny, przeprojektowania płaszczyzny uziemienia i prześwitu i/lub dopasowania obwodu.

Podsumowanie

Niewielkie rozmiary urządzeń i konieczność działania toru radiowego w wielu pasmach częstotliwości sprawiają, że implementacja anteny jest sporym wyzwaniem. Z kolei użycie kilku anten z oddzielnymi obwodami dopasowującymi zwiększają złożoność i koszty. Wykorzystanie projektów referencyjnych przygotowanych przez producentów oraz skorzystanie z oprogramowania do obliczenia parametrów obwodu dopasowującego i symulacji wydaje się najlepszą drogą postępowania.

Anteny wbudowane oferują możliwość zaoszczędzenia miejsca dzięki użyciu jednego urządzenia do obsługi wielu częstotliwości. Kompromis polega na tym, że płaszczyzna uziemienia, prześwit i dopasowanie obwodu stają się jeszcze trudniejsze. Jednak dostawcy wbudowanych anten oferują sprawdzone porady projektowe i narzędzia do modelowania oprogramowania, które mogą ułatwić cykl projektowania. Nawet przy takiej pomocy zadanie nie jest trywialne, a projektowanie systemu antenowego często sprowadza się do wielokrotnego testowania wydajności projektu, a następnie dopracowywania układu.

Digi-Key Electronics
https://www.digikey.pl/