Förbättra IoT-tillämpningar med mångsidiga, kompakta antenner

Att välja rätt antenn kan vara avgörande för hur framgångsrik en trådlös tillämpning för Internet of Things (IoT) är. Genom att välja en antenn med hög prestanda och flexibilitet för att stödja olika nätverk kan man öka den kommersiella dragningskraften för elektroniska tillämpningar.

Produktkonstruktörer kanske ser antenner som en passiv komponent, men i takt med att de införlivar nya funktioner för att nyttja ekosystem för IoT blir de allt viktigare för att elektroniska tillämpningar ska bli framgångsrika. Särskilt i tillämpningar inom Industrial IoT (IIoT) kan antenner som stöder flera trådlösa nätverk ge kritisk redundans, tålighet och täckningsoptimering.

Förutom att stödja WiFi-tillämpningar finns det ett växande behov av att integrera mobilantenner som tillhandahåller de kritiska funktioner som krävs för att garantera framgång med IoT. Spektral effektivitet är avgörande för att motverka de störningar som skapas av den ökande trådlösa trafiken. Energieffektivitet för att förlänga batteritiden är ett annat viktigt krav. Många IoT-tillämpningar måste fungera i tuffa miljöer, t.ex. laddningsstationer utomhus, där det krävs robusta antenner för att klara svåra väderförhållanden eller vandalism.

Högeffektiva antenner behövs för att garantera att signalprestandan inte påverkas nämnvärt av fysiska byggmaterial som betong eller metall. Ren, störningsfri överföring blir allt viktigare för att undvika störningar och brus på signalerna när trådlösa tjänster konkurrerar om åtkomst. Den ökande efterfrågan på industriella 5G-tillämpningar kommer att sporra konstruktörer att införliva mikromobilnät och små mobilnät för att övervinna 5G:s oförmåga att tränga igenom fönster och väggar.

Olika nätverk utmärker sig i specifika områden, så produktkonstruktörer som använder effektivare antenner kan uppnå större täckning, både inom- och utomhus, för att tillgodose kundernas behov. Det är lika viktigt att produktkonstruktörer kan framtidssäkra sina tillämpningar med den anpassningsförmåga som stöd för flera nätverk ger.

Stöd för flera nätverk kan göra det möjligt för leverantörer och kunder att standardisera med en typ av antenn för att leverera anslutningsmöjligheter i olika miljöer, istället för att hantera komplexiteten med flera olika antenner. Det är även möjligt att kombinera olika typer av anslutningsmöjligheter för att balansera nätverksbelastningen och fördela datatrafiken via flera vägar för att förhindra överbelastning och optimera prestandan genom att välja det bästa nätverksalternativet för en viss uppgift. Kunder kan välja det mest kostnadseffektiva nätverket baserat på databehov och undvika mobildata när WiFi är tillräckligt.

Uppfylla behoven i utmanande miljöer

Trådlös uppkoppling är ofta verksamhetskritisk i en rad olika miljöer som innebär många utmaningar för produktkonstruktörer.

Smarta fabriker, kräver exempelvis tillförlitlig kommunikation mellan fabriksutrustning, sensorer och centrala ledningssystem, ofta i tuffa industriella miljöer. I stora lagerlokaler, där WiFi och mobilnät samexisterar, kan antenner för flera nätverk garantera sömlös uppkoppling för spårning av inventarier och hantering av logistik.

Högeffektiva antenner gör det möjligt att placera ut sensorer på avlägsna platser för att samla in data från väderstationer, luftkvalitetsmätare, spåra tillgångar eller implementera tillämpningar för smarta byggnader. Inom jordbruket kan de tillhandahålla viktig information om markfuktighet, grödornas hälsa och driften av bevattningssystem.

Andra nya tillämpningar är laddningsstationer för elfordon som behöver kommunicera med backend-system oavsett väder, digital skyltning som tillhandahåller visning och meddelanden i realtid, säkra lagringslösningar som kräver övervakning och åtkomstkontroll i realtid samt mobila system för biljett- och passagerarinformation.

Respektive IoT-tillämpning har unika krav och produktkonstruktörerna måste anpassa sig till specifika användningsområden samt miljö- och kommunikationskrav. IoT-enheter arbetar i olika frekvensband som kan påverka prestandan; dessutom kan det begränsade utrymmet för enheter göra det svårt att integrera antenner utan att kompromissa med andra komponenter.

Några av de faktorer som måste beaktas när man väljer rätt antenn för en IoT-tillämpning är prestanda, storlek, kostnad och kompatibilitet. Det kan lätt leda till att konstruktörer måste integrera olika antenner för att tillgodose kundernas behov, vilket skapar komplicerade problem med support och leveranskedjor.

Flera nätverksprotokoll

LPWAN-protokoll (Low Power Wide Area Network), som t.ex. NB-IoT (narrow band IoT) har stöd för låga datahastigheter och kräver låg strömförbrukning, hög förstärkning och hög effektivitet för att upprätthålla en stabil anslutning över långa avstånd. Tillämpningarna kräver vanligtvis rundstrålande antenner med ett brett strålningsmönster som täcker stora områden.

WiFi-protokoll med kort räckvidd har däremot stöd för höga datahastigheter men kräver låg förstärkning och hög effektivitet för att spara ström och undvika störningar från andra enheter. Antennerna måste ha ett smalt strålningsmönster för att fokusera signalen.

Det mobila IoT-protokollet LTE CAT-1 erbjuder måttliga datahastigheter och mobilanslutning med måttlig räckvidd för IoT-tillämpningar. Bandbreddsmottagningen sträcker sig från 1,4 till 20 MHz och protokollet har stöd för högsta hastigheter för nedlänk på upp till 10 Mbit/s och högsta hastigheter för upplänk på upp till 5 Mbit/s. Tillämpningarna kan dra nytta av full duplex och låg strömförbrukning.

LTE CAT-M1 strävar efter en balans mellan datahastighet och energieffektivitet. Det kräver mycket låg effekt med antenner som stöder en bandbredd på 1,4 MHz och högsta hastigheter för ned- och upplänk på 1 Mbit/s. Tillämpningarna kan dra nytta av full eller halv duplex.

Protokollet CAT-4 LTE möjliggör betydligt högre datahastigheter och lägre fördröjning för mer krävande IoT-tillämpningar, inklusive tillämpningar i realtid. Protokollet har full duplex med hastigheter i nedlänken på upp till 150 Mbit/s och hastigheter i upplänken på upp till 50 Mbit/s.

Mångsidiga antenner

TE Connectivity (TE) har familjen VersAnte som består av IoT-antenner med flera portar i ett kompakt format som kan leverera kombinationer av 4G/5G-mobil-, Wi-Fi- och GNSS-täckning (Global Navigation Satellite System). Med möjligheten att integrera olika kommunikationsprotokoll i en enda antenn kan ingenjörer förenkla sina konstruktioner.

Till skillnad från vissa antenner som kräver ett specifikt jordplan för optimal prestanda, är dessa antenner oberoende av jordplan och kan monteras på både metalliska och icke-metalliska ytor, vilket gör att konstruktörer kan placera dem på platser som optimerar signalmottagningen. Radomen kan målas med vanligt förekommande, icke-metalliska sprayfärger.

Antennerna VersAnte från TE har 360° rundstrålande täckning, vilket minskar behovet av återutsändningar på grund av svaga signaler som kan leda till strömförbrukning. De balanserar förstärkning med strömförbrukning, vilket optimerar den totala prestandan.

De kompakta antennerna är lämpliga i tillämpningar med begränsat utrymme där de passar perfekt i trånga utrymmen, som t.ex. små IoT-slutpunkter, digitala skärmar och laddningsstationer för elbilar. Antennerna är robusta för att ge tillförlitlig prestanda vid utmanande förhållanden, vilket gör dem mindre benägna att skadas av vandalism eller miljöfaktorer.

VersAnte L000321-01 (figur 1) är en puckformad antenn med 3 portar och låg profil. Den erbjuder 4G/5G-täckning för mobilnät, WiFi och GNSS för att tillgodose behoven i en rad olika tillämpningar, från IoT-slutpunkter till smarta terminaler och digital skyltning. Med en höjd på 26 mm (1,024 tum) och en diameter på 90,2 mm (3,55 tum) har den hög prestanda på ett mycket litet utrymme.

Figur 1: Puckantennen VersAnte L000321-01 från TE Connectivity (Bildkälla: TE Connectivity)

TE har även kupolantennerna L000322-01 med två portar och L000322-02 med tre portar (figur 2), med två 4G/5G-mobilportar och en GNSS-port som tillval. Respektive modell har måtten 150 x 1,77 x 1,97 mm (5,90 x 1,77 x 1,97 tum).

Figur 2: Formatet för antennerna VersAnte L000322-01- och L000322-02. (Bildkälla: TE Connectivity)

Sammanfattning

Den växande efterfrågan på nya trådlösa tillämpningar ger möjligheter för konstruktörer som kan integrera flera olika kommunikationstekniker i sina produkter. Antennerna VersAnte från TE Connectivity är mångsidiga och robusta och har stöd för flera trådlösa tekniker i en kompakt design med låg profil. Deras förmåga att fungera på både metalliska och icke-metalliska ytor, i kombination med IP67- och IP69K-klassificering, gör dem mycket lämpliga för en stor mängd IoT-tillämpningar i både inom- och utomhusmiljöer som kräver tillförlitlig och högeffektiv anslutning.