Optimering av antennintegration i ISM LPWA-enheter

Den fortsatta utökningen av sakernas internet (IoT) i industri-, konsument- och medicintekniska apparater, plus framväxande smarta städer och smarta byggnader, driver på den snabbt ökande användningen av trådlösa LPWA-nätverk (Low Power Wide Area). Detta gäller särskilt i de industriella, vetenskapliga och medicinska (ISM) radiofrekvensbanden (RF) på 915 MHz i USA., 868 och 169 MHz i Europa och 433 MHz i Asien, som stöder trådlösa protokoll som LoRa, Neul, SigFox, Zigbee och Z-Wave.

LPWA-enheter fortsätter att bli mindre och behöver billiga och kompakta antenner med överlägsen prestanda. Problemen med antennens jordplan kan vara särskilt besvärliga i ISM-banden 868 och 915 MHz. De kan hanteras med hjälp av ytterligare kretsar, ökad integrering av enheter och mer exakt frekvensinställning, vilket kan öka utvecklingstiden och kostnaderna. Konstruktörer behöver antenner som minimerar problemen med jordplanet. Dessutom är LPWA-enheter ofta batteridrivna och kräver maximal energieffektivitet. Valet och integreringen av antennen är en mycket viktig aspekt i en effektiv konstruktion. En mindre optimal antennlösning kan minska batteriets livslängd och leda till dålig total systemprestanda.

En optimerad länkbudget är en nyckel till ett tillförlitligt och effektivt gränssnitt för trådlös kommunikation. Val och integrering av antenner har en betydande inverkan på länkbudgeten. Men det är en komplex process att utforma eller välja en effektiv och högpresterande antenn som klarar både länkbudgeten och problemen med jordplanet. Antennspecifikationer som påverkar länkbudgeten är bland annat impedans, returförlust, förhållandet mellan stående spänningsvågor, förstärkning, strålningsmönster med mera. Genom att identifiera lättintegrerade, kompakta och högpresterande antenner som minimerar problemen med jordplanet kan man avsevärt minska konstruktionstiden och förbättra systemets totala prestanda.

Artikeln beskriver en grundläggande modell för länkbudget, går igenom viktiga antennspecifikationer som påverkar länkbudgeten och presenterar exempel på antenner från Molex som kan lösa problem med jordplanet och göra det lättare att optimera länkbudgeten i LPWA-enheter.

Grundläggande länkbudget

En länkbudget i ett trådlöst system mäter den effektiva RF-energi som når fram till mottagaren. Ekvationen börjar med den överförda effekten i decibelmeter (dBm), adderar eventuella förstärkningar i decibel (dB), subtraherar förluster, också i dB, och kommer fram till den mottagna effekten i dBm. I en praktisk konstruktion finns det många faktorer som bidrar till vinster och förluster.

En mer detaljerad genomgång av länkbudgetar

Antennens prestanda är den enda faktor som påverkar vinster och förluster i en länkbudget. Antennens effektivitet, förstärkning och strålningsmönster är tre viktiga aspekter av antennens prestanda, och de mäts ofta med hjälp av en OTA-kammare (over-the-air) (figur 1). Andra faktorer som kan påverka länkbudgetarna är returförlust (S11-parametern) och VSWR (spänningens stående vågförhållande).

Figur 1: effektivitet, förstärkning och strålningsmönster som mäts med en OTA-kammare. (DUT i bilden avser Device Under Test (enhet under test)) (Bildkälla: Molex)

Antennens effektivitet bestämmer antennens emissivitet. Ofta används genomsnittlig effektivitet, men effektivitet är inte ett enda tal. Det är en kurva som kan vara mer eller mindre flack, beroende på vilken antenn som avses (figur 2). En antenn med en plattare effektivitetskurva har ofta en lägre maximal effektivitet än en antenn med en mer spetsig effektivitetskurva.

Figur 2: Antennens effektivitetskurvor kan variera kraftigt: antennen till vänster har en plattare effektivitetskurva, men antennen till höger har cirka 10 % högre toppeffektivitet vid 915 MHz. (Bildkälla: Molex)

Precis som effektiviteten kan antennförstärkningen mätas som ett genomsnittligt eller toppvärde/maximalt värde. Vid en given frekvens mäts den genomsnittliga förstärkningen för alla vinklar i det tredimensionella rummet, medan den maximala förstärkningen är en enda driftspunkt. I allmänhet är det bättre ju högre den genomsnittliga förstärkningen är.

En antenns strålningsmönster är en viktig faktor för att bestämma förstärkningen. En teoretisk antenn som utstrålar samma energi i alla riktningar kallas en isotropisk radiator och har en förstärkning på 0 dB (enhet). Verkliga antenner, även så kallade rundstrålande konstruktioner, har icke-isotropa strålningsmönster och kan vara mer eller mindre riktade när de mäts i 3D-plan (figur 3). En antenn med en förstärkning på 3 dB är dubbelt så effektiv i en viss riktning som en isotropisk radiator. Den fördubblar sändarens effekt eller mottagarens känslighet i den specifika riktningen.

Figur 3: Strålningsmönstren skiljer sig åt mellan olika antennkonstruktioner och kan vara viktiga vid beräkningar av länkbudget. Båda dessa antenner är specificerade med rundstrålande strålningsmönster. (Bildkälla: Molex)

Antennens utformning och den omgivande miljön påverkar strålningsmönstret. Vid typiska mätningar enligt databladet används en miljö med fritt utrymme utan omgivande störningar. I praktiken kommer toppförstärkningen att minskas med 1-2 decibel i förhållande till den isotropiska (dBi) eftersom strålningsmönstret kommer att förändras på grund av de omgivande komponenterna.

Returförlusten (S11) och VSWR (Spänningens stående våg-förhållande) är relaterade mätningar av mängden energi som reflekteras från antennen tillbaka till RF-kretsen, och mindre värden är bättre (figur 4). S11 ≤ -6dB eller VSWR ≤ 3 anses ofta vara lägsta acceptabla prestandanivåer. Om S11 = 0 dB reflekteras all effekt och ingen strålar ut. Eller om S11 = -10 dB, när 3 dB effekt levereras till antennen, är -7 dB den reflekterade effekten. Antennen använder resten av effekten.

Figur 4: Returförlusten för den högeffektiva antennen (till höger) är cirka -14 dB vid 915 MHz, medan returförlusten för den mindre effektiva antennen med den flackare effektivitetskurvan är cirka -10 dB vid 915 MHz. (Bildkälla: Molex)

VSWR är en funktion av reflektionskoefficienten. Liksom returförlust är en mindre VSWR ett tecken på en bättre antenn. Det lägsta värdet för VSWR är 1,0, då ingen effekt reflekteras från antennen. Impedansanpassning kan användas för att minimera S11 och VSWR. Impedansanpassning innebär att man ändrar överföringsledningen mellan antennen och RF-kretsen för att förbättra den maximala energiöverföringen. En impedansobalans leder till att en del av RF-effekten inte tas emot av antennen. En exakt matchning mellan överföringsledningens impedans och antennens impedans leder till att all RF-effekt tas emot vid antennen.

Vissa antenner har en impedans på 50 Ω och behöver inget anpassningsnätverk. De flesta antenner kräver ett impedansanpassningsnätverk i överföringsledningen för att optimera antennens prestanda. Anpassningsnätverk krävs i allmänhet för antenner som stöder flera frekvensband. Ett anpassningsnätverk kan bestå av olika kombinationer av kondensatorer, induktorer och motstånd när det behövs.

Förbättra antennens prestanda

En grundläggande antenn består av en ledare med en given längd, men ytterligare element kan läggas till för att förbättra antennens prestanda. Ett exempel är antenntekniken MobliquA™ från Molex som innehåller bandbreddsförbättrande teknik (figur 5). Tekniken MobliquA är utformad för att förbättra det frekvensområde där returförlusten är acceptabel, vilket ofta kallas impedansbandbredd. Tekniken kan förbättra impedansbandbredden med 60-70 procent utan att det påverkar strålningseffektiviteten eller ökar antennens storlek. En ISM-antenn som är utformad för 868 MHz och 915 MHz med tekniken MobliquA kan ha upp till 75 % mindre volym än konventionella konstruktioner och eliminerar behovet av dyra kretsar och frekvensinställningar som krävs för att lösa problem med beroende av jordplan.

Figur 5: Tekniken MobliquA från Molex är utformad för att förbättra impedansbandbredden och ge en hög grad av immunitet mot införande av metallföremål i antennvolymen. (Bildkälla: Molex)

Tekniken MobliquA gör det möjligt att använda RF-avkopplade eller jordade delar, som t.ex. ett jordat kontakthus. Den ger god immunitet mot att metalldelar förs in i antennvolymen. Den unika matningstekniken i kombination med en direkt jordning av antennelementen ger ett förbättrat skydd mot elektrostatisk urladdning (ESD) för RF-frontenden.

Integrering av antenner

Alla de elektriska specifikationer som diskuteras ovan är viktiga aspekter av antennintegration, men det finns även ett problem med den mekaniska anslutningen och integreringen av antennen i systemet. Det finns flera möjligheter. Vissa antenner är exempelvis utformade för att lödas in i systemet, medan andra har en koaxialkabel och en kontakt som är anslutna till systemet. I de följande två avsnitten presenteras några av specifikationerna för varje rundstrålande antenn.

Flexibel ISM-antenn med koax och kontakt

För tillämpningar som behöver en ISM-antenn med två band på 868/915 MHz kan konstruktörerna vända sig till modell 2111400100 från Molex (figur 6). Denna monopolantenn har måtten 38 x 10 x 0,1 mm, är tillverkad av ett flexibelt polymermaterial och har en 100 mm lång mikrokoax-kabel med en ytterdiameter på 1,13 mm och en U.FL-kontakt som är MHF-kompatibel. Den är "dra av och klistra fast" och kan fästas på alla icke-metalliska ytor. Den kan hantera 2 W RF-effekt och har ett arbetstemperaturområde på -40 till +85 °C. Andra antenner i serien har kabellängder på 50, 150, 200, 250 och 300 mm, och specialanpassade längder kan tillverkas.

Figur 6: Den här ISM-antennen med dubbla band är flexibel och monteras i systemet med hjälp av ett "dra av och klistra fast"-häftämne. (Bildkälla: Molex)

Några av de viktigaste specifikationerna är:

• Effektivitet: >55 % vid 868 MHz, >60 % vid 902 MHz
• Toppförstärkning: 0,3 dBi vid 868 MHz, 1 dBi vid 902 MHz
• Strålningsmönster, rundstrålande
• Returförlust (S11): < -5 dB

Hög effektiv keramisk ISM-antenn som löds på kretskortet

När behovet är högre effektivitet kan konstruktörerna använda en 2081420001 keramisk antenn som är särskilt utformad för ISM-tillämpningar (Figur 7). Olika anpassningsnätverk kan användas i två olika frekvensband: 868-870 MHz och 902-928 MHz. Den är godkänd för drift från -40 till +125 °C och har måtten 9 x 3 x 0,63 mm.

Figur 7: Med olika anpassningsnätverk, kan den här keramiska antennen användas i två olika frekvensband: 868-870 MHz och 902-928 MHz. (Bildkälla: Molex)

Några av de viktigaste specifikationerna är:

• Effektivitet: 70 % vid 868 MHz, 65 % vid 902 MHz
• Toppförstärkning: 1,5 dBi vid 868 MHz, 1 dBi vid 902 MHz
• Strålningsmönster, rundstrålande
• Returförlust (S11): < -10 vid 868 MHz, < -5 vid 902 MHz

Sammanfattning

Antennoptimering och integrering i LPWA ISM-tillämpningar, inklusive LoRa, Neul, SigFox, Zigbee och Z-Wave IoT-protokoll, är en viktig och komplicerad uppgift. Det är nödvändigt att optimera länkbudgeten för att garantera en god trådlös prestanda och lång batteritid. Den omfattar ett stort antal kompromisser med avseende på de elektriska driftsspecifikationerna och utvecklingen av ett effektivt impedansanpassningsnätverk. Vid val av antenn måste man även ta hänsyn till driftsmiljön, enhetens mekaniska krav och krav på sammankoppling.