Hur man väljer och använder antenner för IoT-enheter

Utbredningen av IoT-enheter (Internet of Things) fortsätter att öka och inspirera till konstruktion av innovativa slutprodukter. Konstruktörer måste dock komma ihåg att oavsett hur mycket kreativitet och ansträngning som läggs ned på hård- och mjukvara så spelar antennen en avgörande roll. Om antennen inte fungerar som den ska försämras produktens prestanda avsevärt.

Antennen utgör gränssnittet mellan enheten och det trådlösa nätverket och är därför en viktig del av processen vid konstruktion av IoT-enheter. Den omvandlar elektrisk energi till en elektromagnetisk radiofrekvensvåg (RF) i sändaren och omvandlar en inkommande RF-signal till elektrisk energi i mottagaren. Konstruktörer kan optimera prestandan för en tillämpning genom att välja en antenn som uppfyller viktiga tekniska parametrar. De många tillgängliga alternativen och övervägandena kan dock leda till försenade och kostsamma konstruktionscykler.

Artikeln sammanfattar antennens roll i en trådlös IoT-enhet och beskriver kortfattat de kritiska konstruktionskriterier som påverkar valet av antenn. I artikeln används sedan exempel på antenner från Amphenol för att illustrera lämpliga val för en givare med Bluetooth Low Energy (LE) eller WiFi, en IoT-spårningsenhet för tillgångar med funktioner för GNSS-satellitpositionering, en åtkomstpunkt för WiFi (AP) och en IoT-enhet för LoRa.

Tolkning av datablad

Antennens prestanda är beroende av konstruktionstekniska beslut som t.ex. var den monteras och utformning av nätverk för impedansmatchning. En bra implementering kräver en noggrann granskning av antennens datablad. Viktiga parametrar är:

• Strålningsdiagram: Diagrammet visar hur antennen utstrålar (eller absorberar) radioenergi i det tredimensionella rummet (figur 1).
• Maximal effektöverföring: Bra effektöverföring mellan antenn och mottagare sker när transmissionsledningens impedans (Z₀) är anpassad till antennens impedans (Z_a). Dålig impedansmatchning ökar returförlusten (RL). Spänningens stående våg-förhållande (VSWR) anger impedansmatchningen mellan sändningsledningen och antennen (tabell 1). Höga värden för spänningens stående våg-förhållande leder till höga effektförluster. Ett värde för spänningens stående våg-förhållande under 2 är i allmänhet acceptabelt för en IoT-produkt.
• Frekvenssvar: Returförlusten (RL) beror på radiofrekvensen. Konstruktörer bör kontrollera databladet för antennens frekvenssvar för att säkerställa att returförlusten minimeras vid den avsedda driftfrekvensen (figur 2).
• Riktverkan: Denna mäter riktningseffekten i antennens strålningsdiagram. Maximal riktverkan definieras som D_max.
• Verkningsgrad (η): Förhållandet mellan den totala utstrålade effekten (TRP eller P_rad) och den tillförda effekten (P_in) beräknas med formeln η = (Prad/Pin) * 100 %.
• Förstärkning: Detta beskriver hur mycket effekt som överförs i den riktning där strålningen är som störst. Den har vanligvis en isotropisk antenn med beteckningen dBi som referens. Den beräknas enligt formeln Gain_max = η * D_max.

Figur 1: Strålningsdiagrammen visar hur antennen utstrålar eller absorberar radioenergi i det tredimensionella rummet. I databladet anges normalt den maximala utbredningen i XY- och YZ-planen när antennen är monterad på avsett sätt. (Bildkälla: Amphenol)

Tabell 1: Spänningens stående våg-förhållande anger impedansmatchningen mellan sändningsledningen och antennen. Ett värde för spänningens stående våg-förhållande under 2 är i allmänhet acceptabelt för en IoT-produkt. (Tabellkälla: Steven Keeping)

Figur 2: Spänningens stående våg-förhållande och returförlusten är beroende av frekvensen. Returförluster bör minimeras vid den avsedda driftfrekvensen. (Bildkälla: Amphenol)

Ökad prestanda

En antenn med dåliga prestanda begränsar hur mycket elektrisk effekt som omvandlas till strålningsenergi i sändaren och hur mycket effekt som kan utvinnas ur inkommande RF-signaler i mottagaren. Dålig prestanda i endera änden minskar räckvidden för den trådlösa länken.

Den primära faktorn som påverkar antennens prestanda är impedansen. En betydande skillnad mellan antennens impedans (som är relaterad till spänning och ström vid dess ingång) och impedansen hos den spänningskälla som driver antennen resulterar i dålig effektöverföring.

En välkonstruerad matchningskrets för impedans minimerar spänningens stående våg-förhållande och efterföljande effektförluster genom att anpassa impedansen hos sändarens strömkällor till antennens impedans. Impedansen är typiskt 50 Ω för en IoT-produkt med låg effekt.

Även antennens placering har stor betydelse för slutproduktens sändningseffekt och mottagningskänslighet. För en intern antenn rekommenderar konstruktionsriktlinjer att den placeras högst upp på IoT-enheten, vid kanten av kretskortet, och så långt bort som möjligt från andra komponenter som kan generera elektromagnetiska störningar (EMI) vid drift. Komponenter för impedansmatchning är ett undantag, eftersom de av nödvändighet behöver vara placerade nära antennen. Kretskortets lödpunkter och banor som förbinder antennen med resten av kretsarna bör vara de enda kopparledarna inom ett definierat fritt område (figur 3).

figur 3: En kretskortsmonterad antenn bör placeras nära kretskortets kant. Antennen bör även placeras på avstånd från andra komponenter (förutom de som används för impedansmatchning) genom att man skapar ett fritt utrymme. (Bildkälla: Amphenol)

(Mer information om riktlinjer för antennkonstruktion finns i "Hur man använder inbyggda multibandsantenner för att spara utrymme, komplexitet och kostnader i IoT-konstruktioner").

Olika typer av antenner

Att specificera antennen är en viktig del av processen vid konstruktion av IoT-enheter. Antennen ska vara optimerad för det trådlösa gränssnittets RF-band, som t.ex. NB-IoT för flera band mellan 450 och 2 200 MHz, LoRa för 902-928 MHz i Nordamerika, WiFi för 2,4 och 5 GHz samt Bluetooth LE för 2,4 GHz.

Antenner använder olika elektriska koncept. Exempel på sådana är monopol, dipol, slingantenn, inverterad F-antenn (IFA) och plan inverterad F-antenn (PIFA). Var och en passar för ett visst användningsområde.

Det finns även enkelriktade och differentiella antenner. Den enkelriktade typen är obalanserad medan differentialantenner är balanserade. Enkelriktade antenner tar emot eller sänder en signal som har en jordreferens och den karakteristiska ingångsimpedansen är typiskt 50 Ω. Eftersom många kretsar för RF har differentiella RF-portar krävs dock ofta ett omvandlingsnätverk om en enkelriktad antenn används. Balun-nätverk omvandlar signalen från balanserad till obalanserad.

En differentialantenn sänder med två komplementära signaler i var sin ledare. Eftersom antennen är balanserad behövs ingen balun när antennen används med RF-kretsar som har differentiella RF-portar.

Slutligen finns antenner i flera olika format som t.ex. kretskortsmonterade antenner, kretsantenner, externa flexibla antenner och trådantenner. Figur 4 visar några exempel på tillämpningar.

Figur 4: Det finns olika antenner som passar olika IoT-tillämpningar. (Bildkälla: Amphenol)

Anpassa antennen till tillämpningen

Användningsområdet och produktens format avgör det slutliga valet av antenn. Om en IoT-produkt har begränsat utrymme kan till exempel en kretskortsantenn integreras direkt på kretskortet. Antennerna är ett utmärkt val för tillämpningar med 2,4 GHz som t.ex. givare med Bluetooth LE eller WiFi i enheter för smarta hem, inklusive belysning, termostater och säkerhetssystem. De har tillförlitlig RF-prestanda i en arkitektur med låg profil. Ändå är kretskortsantenner knepiga att konstruera. Ett alternativ är att köpa kretskortsantennen från en kommersiell leverantör. Den kan sedan fästas på kretskortet med hjälp av en självhäftande baksida.

Ett exempel på en RF-antenn för kretskort är ST0224-10-401-A för WiFi från Amphenol. Antennen har ett rundstrålande strålningsdiagram i för banden 2,4 till 2,5 GHz och 5,15 till 5,85 GHz. Antennen har måtten 30 x 10 x 0,2 mm och en impedans på 50 Ω. Returförlusten är mindre än -10 dB för båda frekvensområdena och toppförstärkningen är 2,1 dB jämfört med en isotropisk (dBi) i 2,4 GHz-bandet respektive 3,1 dBi i 5 GHz-bandet. Verkningsgraden är 77 respektive 71 % (figur 5).

Figur 5: Kretskortsantennen ST0224-10-401-A för WiFi är effektiv i både 2,4- och 5 GHz-banden. (Bildkälla: Amphenol)

Ett annat alternativ för IoT-produkter med begränsat utrymme är en kretsantenn. Automatiserad utrustning kan montera denna kompakta komponent direkt på ett kretskort. Antennen passar för trådlösa IoT-tillämpningar baserade på Bluetooth LE eller WiFi. De viktigaste fördelarna med en kretsantenn är utrymmesbesparingar, minskade tillverkningskostnader och en förenklad process vid konstruktion.

Som beskrivits ovan påverkas prestandan för en kretsantenn av faktorer som t.ex. kretskortets layout och omkringliggande komponenter, men framsteg inom antenntekniken har resulterat i mycket effektiva enheter. Kretsantennerna passar för många olika tillämpningar, från smartphones och surfplattor till system för smarta hem och industriella givare.

Ett exempel är den ytmonterade kretsantennen ST0147-00-011-A för 2,4 GHz från Amphenol. Antennen har ett rundstrålande strålningsdiagram för frekvensbandet 2,4 till 2,5 GHz (figur 6). Antennen har måtten 3,05 x 1,6 x 0,55 mm och en impedans på 50 Ω. Returförlusten är mindre än -7 dB, toppförstärkningen är 3,7 dBi och dess genomsnittliga verkningsgrad är 80 %.

Figur 6: Den ytmonterade kretsantennen ST0147-00-011-A är liten och har ett rundstrålande strålningsdiagram i XY-planet. (Bildkälla: Amphenol)

Precis som kretskortsantenner är patchantenner små och kan fästas direkt på kretskortet. En typisk tillämpning är en antenn för en spårningsenhet för tillgångar eller andra enheter med möjlighet att använda GNSS (Global Navigation Satellite System). Patchantenner för GNSS består av ett självhäftande element på ett dielektriskt substrat. Hög verkningsgrad säkerställer att antennen fångar upp svaga GNSS-signaler från flera olika satelliter.

Ett exempel är den passiva patchantennen ST0543-00-N04-U för GNSS från Amphenol för användning i frekvensbanden 1,575 och 1,602 GHz. Antennen har måtten 18 x 18 x 4 mm och en impedans på 50 Ω. Returförlusten är mindre än -10 dB för båda frekvensområdena och toppförstärkningen är -0,5 dBi i 1,575 GHz-bandet respektive 1,0 dBi i 1,602 GHz-bandet. Verkningsgraden är 80 respektive 82 %.

Externa flexibla antenner, som t.ex. antennen på en åtkomstpunkt för WiFi, monteras utanför IoT-enheter för att optimera radiodriften. En extern flexibel antenn förlänger signalens räckvidd, förbättrar signalkvaliteten och övervinner hinder eller störningar. De är användbara i miljöer med svaga eller blockerade signaler, som t.ex. signaler som dämpas av väggar, tak och möbler i hemmet. Raka och vridbara utföranden, alla med vanligt förekommande anslutningar för RF som t.ex. typerna SMA, RP-SMA och N finns tillgängliga.

Ett exempel är RF-antennen ST0226-30-002-A med SMA-anslutning för 2,4- och 5 GHz-banden från Amphenol. Antennen är en bra lösning för åtkomstpunkter för WiFi och digitalboxar (STB). Den har ett rundstrålande strålningsmönster i frekvensbanden 2,4 till 2,5 GHz och 5,15 till 5,85 GHz. Antennen är 88 mm lång och har en diameter på 7,9 mm samt en impedans på 50 Ω. Radioförlusten är mindre än -10 dB för båda frekvensområdena och toppförstärkningen är 3,0 dBi i 2,4 GHz-bandet respektive 3,4 dBi i 5 GHz-bandet. Verkningsgraden är 86 respektive 75 %. Antennen finns tillgänglig med anslutning för antingen SMA eller RP-SMA (figur 7).

Figur 7: Den externa flexibla antennen ST0226-30-002-A som används för åtkomstpunkter för WiFi finns med anslutning för antingen SMA eller RP-SMA. (Bildkälla: Amphenol)

Spiralantenner är ett billigt och enkelt alternativ för tillämpningar med frekvenser under gigahertz, som t.ex. i IoT-enheter för LoRa som arbetar i frekvensbandet 868 MHz. Antennerna är vanligtvis lödda direkt på kretskortet och har bra prestanda. Några nackdelar är att den är skrymmande, särskilt vid låga frekvenser, och har relativt låg verkningsgrad jämfört med andra antennalternativ.

Ett exempel är RF-antennen ST0686-10-N01-U för 862 MHz från Amphenol (figur 8). Spiralantennen arbetar i frekvensbandet 862 till 874 MHz och har en impedans på 50 Ω. Antennen har lödpunkter för genomgående hålmontering samt en maximal höjd på 38,8 mm. Den har en returförlust på mindre än -9,5 dB, en toppförstärkning på 2,5 dBi samt en genomsnittlig effektivitet på 58 %.

Figur 8: Spiralantennen ST0686-10-N01-U är ett bra alternativ för IoT-tillämpningar med LoRa. (Bildkälla: Amphenol)

Sammanfattning

Radioprestandan för trådlösa IoT-enheter beror på antennvalet så konstruktörer måste noggrannt välja ur ett stort utbud av antennkonstruktioner från leverantörer som t.ex. Amphenol för att bäst matcha tillämpningen. Datablad är avgörande vid valet, men genom att följa etablerade konstruktionsriktlinjer säkerställs bästa möjliga trådlösa prestanda.