IoT-toepassingen verbeteren met veelzijdige, compacte antennes

Het kiezen van de juiste antenne kan cruciaal zijn voor het succes van een draadloze IoT-toepassing. Een antenne die hoge prestaties levert en flexibel genoeg is om verschillende netwerken te ondersteunen, kan de commerciële aantrekkingskracht van elektronische toepassingen vergroten.

Productontwerpers zien antennes wellicht als passieve componenten, maar nu er nieuwe functies worden ingebouwd voor IoT-ecosystemen worden ze steeds belangrijker voor het succes van elektronische toepassingen. Vooral bij industriële IoT-toepassingen (IIoT) kunnen antennes die meerdere draadloze netwerken ondersteunen redundantie, veerkracht en bereikoptimalisatie bieden.

Naast de ondersteuning van wifitoepassingen is er een groeiende behoefte aan mobiele antennes die de kritieke functies bieden die nodig zijn voor het succes van het IoT. Spectrumefficiëntie is essentieel om interferentie door de groei van draadloos verkeer tegen te gaan. Energie-efficiëntie om batterijduur te verlengen is een andere belangrijke vereiste. Veel IoT-toepassingen moeten in moeilijke omgevingen werken, zoals buitenlaadstations, waar antennes robuust genoeg moeten zijn om zware weersomstandigheden of vandalisme te weerstaan.

Ook moeten antennes zeer efficiënt zijn om ervoor te zorgen dat de signaalprestaties niet significant worden beïnvloed door bouwmaterialen zoals beton of metaal. Nu draadloze diensten met elkaar concurreren om toegang te krijgen wordt zuivere, storingsvrije transmissie steeds belangrijker om interferentie en signaalruis te voorkomen. De groeiende vraag naar industriële 5G-toepassingen zal ontwerpers ertoe aanzetten om microcellen en kleine cellen in te bouwen om het probleem dat 5G niet door ramen en muren gaat, op te lossen.

Verschillende netwerken blinken uit in specifieke gebieden, dus productontwerpers die efficiëntere antennes gebruiken, kunnen een breder bereik halen, zowel binnen als buiten, om aan de behoeften van klanten te voldoen. Net zo belangrijk is dat productontwerpers hun toepassingen flexibel en toekomstbestendig maken met ondersteuning voor meerdere netwerken.

Met ondersteuning voor meerdere netwerken kunnen leveranciers en klanten standaardiseren op één type antenne om connectiviteit te leveren in verschillende omgevingen, in plaats van een voorraad te moeten beheren van meerdere antennes. Het is ook mogelijk om verschillende soorten connectiviteit te combineren om netwerkbelasting te balanceren en dataverkeer over meerdere paden te verdelen. Hierdoor worden opstoppingen voorkomen en prestaties geoptimaliseerd door de beste netwerkoptie voor een bepaalde taak te selecteren. Klanten kunnen kiezen voor het meest kosteneffectieve netwerk op basis van de gegevensvereisten, waarbij mobiele gegevens worden vermeden wanneer wifi volstaat.

Aan de behoeften van uitdagende omgevingen voldoen

Draadloze connectiviteit is vaak bedrijfskritisch in een breed scala aan omgevingen die tal van uitdagingen vormen voor productontwerpers.

Slimme fabrieken vereisen bijvoorbeeld betrouwbare communicatie tussen fabrieksapparatuur, sensoren en centrale beheersystemen, vaak in zware industriële omgevingen. In grote magazijnen, waar wifi en mobiele netwerken naast elkaar bestaan, kunnen multi-netwerk-antennes zorgen voor naadloze connectiviteit voor voorraadbeheer en logistiek.

Bij gebruik van krachtige antennes kunnen sensoren worden ingezet op afgelegen locaties om gegevens te verzamelen van weerstations en luchtkwaliteitsmonitoren, en om apparatuur te traceren of smart building-toepassingen te implementeren. In de landbouw kunnen ze cruciale informatie leveren over bodemvocht, de gezondheid van gewassen en de werking van irrigatiesystemen.

Andere nieuwe toepassingen zijn oplaadstations voor elektrische auto's die moeten communiceren met backendsystemen, ongeacht het weer, digitale signage voor real-time displays en aankondigingen, beveiligde opslagoplossingen die real-time bewaking en toegangscontrole vereisen en systemen voor mobiele ticketverkoop en passagiersinformatie.

Elke IoT-toepassing heeft unieke eisen dus productontwerpers moeten zich steeds weer aanpassen aan specifieke gebruikssituaties, samen met omgevings- en communicatievereisten. IoT-apparaten werken op verschillende frequentiebanden die de prestaties kunnen beïnvloeden. Bovendien kan de beperkte ruimte voor apparaten het een uitdaging maken om antennes te integreren zonder afbreuk te doen aan andere componenten.

Enkele factoren waarmee rekening moet worden gehouden bij het kiezen van de juiste antenne voor een IoT-toepassing zijn prestaties, grootte, kosten en compatibiliteit. Dit kan er gemakkelijk toe leiden dat ontwerpers verschillende antennes moeten integreren om aan de behoeften van hun klanten te voldoen, wat complexe ondersteunings- en toeleveringsproblemen met zich meebrengt.

Meerdere netwerkprotocollen

LPWAN-protocollen (Low Power, Wide Area Network) zoals smalband IoT (NB-IoT) ondersteunen lage datasnelheden en vereisen een laag energieverbruik, hoge versterking en hoge efficiëntie om stabiele connectiviteit over lange afstanden te behouden. Toepassingen vereisen meestal omnidirectionele antennes met een breed stralingspatroon over grote gebieden.

Wifi-protocollen voor een kort bereik ondersteunen daarentegen hoge gegevenssnelheden, maar vereisen een lage versterking en een hoge efficiëntie om stroom te besparen en interferentie met andere apparaten te vermijden. Antennes moeten een smal stralingspatroon hebben om het signaal te richten.

Het cellulaire IoT-protocol LTE CAT-1 biedt gematigde datasnelheden en cellulaire connectiviteit met een gematigd bereik voor IoT-toepassingen. Bandbreedtebereik varieert van 1,4 MHz tot 20 MHz en het protocol ondersteunt piek downlink-snelheden tot 10 Mbit/s en piek uplink-snelheden tot 5 Mbit/s. Toepassingen kunnen gebruikmaken van full-duplex en een laag stroomverbruik.

LTE CAT-M1 streeft naar een balans tussen datasnelheid en energie-efficiëntie. Ze vereisen zeer weinig stroom met antennes die 1,4 MHz bandbreedte en piek downlink- en uplink-snelheden van 1 Mbit/s ondersteunen. Toepassingen kunnen gebruikmaken van de mogelijkheid tot full- of half-duplex.

Het LTE CAT-4-protocol maakt aanzienlijk hogere gegevenssnelheden en lagere latentie mogelijk voor veeleisende IoT-toepassingen, waaronder real-time toepassingen. Het protocol biedt full-duplex met downlink-snelheden tot 150 Mbit/s en uplink tot 50 Mbit/s.

Veelzijdige antennes

TE Connectivity (TE) biedt de VersAnte-familie van multi-port IoT-antennes in een compacte vormfactor die combinaties van 4G/5G mobiel, wifi en Global Navigation Satellite System (GNSS) kan leveren. Dankzij de mogelijkheid om verschillende communicatieprotocollen in een enkele antenne te integreren, kunnen engineers hun ontwerpen vereenvoudigen.

In tegenstelling tot sommige antennes die een specifieke massaplaat vereisen voor optimale prestaties, zijn deze antennes onafhankelijk van de massaplaat en kunnen ze worden gemonteerd op zowel metalen als niet-metalen oppervlakken, waardoor ontwerpers ze kunnen plaatsen op locaties die de signaalontvangst optimaliseren. De radomes zijn overschilderbaar met algemeen verkrijgbare, niet-metalen spuitverf.

De VersAnte-antennes van TE bieden 360° omnidirectionele dekking, waardoor er minder hertransmissies nodig zijn vanwege zwakke signalen die kunnen leiden tot hoog energieverbruik. Ze balanceren versterking met stroomverbruik voor optimale algehele prestaties.

Deze compacte antennes zijn geschikt voor toepassingen met beperkte ruimte, zoals kleine IoT-eindpunten, digitale displays en EV-laadstations. De antennes zijn robuust en leveren betrouwbare prestaties in moeilijke omstandigheden, waardoor ze minder gevoelig zijn voor schade door vandalisme of omgevingsfactoren.

De VersAnte L000321-01 (afbeelding 1) is een low-profile, puckvormige antenne met 3 poorten. Het biedt mobiele 4G/5G-, wifi- en GNSS-dekking om te voldoen aan de behoeften voor tal van toepassingen, van IoT-eindpunten tot slimme terminals tot digital signage. Met een hoogte van 26,0 mm en een diameter van 90,2 mm levert hij hoge prestaties met een zeer kleine footprint.

Afbeelding 1: De VersAnte cellulaire puck L000321-01-antenne. (Bron afbeelding: TE connectiviteit)

TE biedt ook de koepelantennes L000322-01 met 2 poorten en L000322-02 met 3 poorten (afbeelding 2), elk met twee mobiele 4G/5G- poorten en een optionele GNSS-poort. Elke variant heeft een afmeting van 150 x 1,77 x 1,97 mm.

Afbeelding 2: De vormfactor van de VersAnte-antennes L000322-01 en L000322-02. (Bron afbeelding: TE connectiviteit)

Conclusie

De groeiende vraag naar nieuwe draadloze toepassingen biedt kansen voor ontwerpers die meerdere communicatietechnologieën in hun producten kunnen integreren. De VersAnte-antennes van TE Connectivity zijn veelzijdig en robuust en ondersteunen meerdere draadloze technologieën in een compact ontwerp met een laag profiel. Dankzij hun vermogen om op zowel metalen als niet-metalen oppervlakken te werken, gecombineerd met een IP67- en IP69K-classificatie, zijn ze zeer geschikt voor een breed scala aan IoT-toepassingen in zowel binnen- als buitenomgevingen die betrouwbare en hoogwaardige connectiviteit vereisen.