Optimaliseren van antenne-integratie in ISM LPWA-apparaten

De voortdurende uitbreiding van het internet der dingen (IoT) in industriële, consumenten- en medische apparatuur, plus de opkomende slimme steden en slimme gebouwen, drijven het snel toenemende gebruik van Low Power Wide Area (LPWA) draadloze netwerken aan. Dat geldt met name in de industriële, wetenschappelijke en medische (ISM) radiofrequentiebanden (RF) van 915 MHz in de U.S, 868 en 169 MHz in Europa, en 433 MHz in Azië, die draadloze protocollen ondersteunen zoals LoRa, Neul, SigFox, Zigbee en Z-Wave.

LPWA-apparaten worden steeds kleiner en hebben behoefte aan goedkope en compacte antennes met superieure prestaties. Problemen met het grondvlak van antennes kunnen vooral in de 868 en 915 MHz ISM-banden een probleem vormen. Deze problemen kunnen worden verholpen door extra schakelingen, een betere integratie van de apparatuur en een nauwkeuriger frequentieafstelling, waardoor de ontwikkelingstijd en -kosten kunnen oplopen. Ontwerpers hebben antennes nodig die de grondvlakproblemen tot een minimum beperken. Bovendien werken LPWA-apparaten vaak op batterijen en vereisen zij een maximale energie-efficiëntie. De keuze en integratie van de antenne is een kritisch aspect van een efficiënt ontwerp. Een minder dan optimale antenneoplossing kan de levensduur van de batterij verkorten en resulteren in slechte algemene systeemprestaties.

Een geoptimaliseerd linkbudget is een sleutel tot een betrouwbare en efficiënte draadloze communicatie-interface. Antennekeuze en -integratie hebben een aanzienlijke invloed op het verbindingsbudget. Maar het ontwerpen of selecteren van een efficiënte en goed presterende antenne die zowel aan het linkbudget als aan het grondvlak tegemoetkomt, is een complex proces. Antennespecificaties die van invloed zijn op het linkbudget omvatten impedantie, return loss, voltage standing wave ratio, gain, stralingspatroon, en meer. Het identificeren van gemakkelijk te integreren, compacte en goed presterende antennes die grondvlakproblemen tot een minimum beperken, kan de engineeringtijd aanzienlijk verkorten en de algemene systeemprestaties verbeteren.

In dit artikel wordt een basis linkbudgetmodel beschreven, worden de belangrijkste antennespecificaties besproken die een invloed hebben op het linkbudget, en worden voorbeelden gegeven van Molex-antennes die problemen met de grondplaat kunnen verhelpen en het linkbudget in LPWA-apparaten kunnen helpen optimaliseren.

Basis linkbudget

Een linkbudget in een draadloos systeem meet de effectieve RF-energie die bij de ontvanger aankomt. De vergelijking begint met het uitgezonden vermogen in decibelmeters (dBm), telt daar de eventuele versterking in decibel (dB) bij op, trekt daar de verliezen, eveneens in dB, van af en komt zo uit op het ontvangen vermogen in dBm. In een praktisch ontwerp zijn er talrijke factoren die bijdragen tot winst en verlies.

Een diepere duik in linkbudgetten

De antenneprestaties zijn de enige factor die van invloed is op de winsten en verliezen in een verbindingsbudget. Antenne-efficiëntie, versterking en stralingspatroon zijn drie belangrijke aspecten van de antenneprestaties, en zij worden vaak gemeten met een over-the-air (OTA) kamer (Afbeelding 1). Andere factoren die van invloed kunnen zijn op het linkbudget zijn de return loss (de S11 parameter) en de voltage standing wave ratio (VSWR).

Afbeelding 1: Efficiëntie, versterking en stralingspatroon van de antenne worden gemeten met behulp van een OTA-kamer. (DUT in afbeelding verwijst naar Device Under Test) (Bron afbeelding: Molex)

De antenne-efficiëntie bepaalt de emissiviteit van een antenne. Vaak wordt gemiddelde efficiëntie gebruikt, maar efficiëntie is geen eenduidig getal. Het is een curve die min of meer vlak kan zijn, afhankelijk van de specifieke antenne die in aanmerking wordt genomen (figuur 2). Vaak zal een antenne met een vlakkere efficiëntiecurve een lager maximaal rendement hebben dan een antenne met een meer gepiekte rendementscurve.

Afbeelding 2: De efficiëntiecurven van antennes kunnen sterk uiteenlopen: de antenne links heeft een vlakkere efficiëntiecurve, maar de antenne rechts heeft een ongeveer 10% hoger piekrendement bij 915 MHz. (Bron afbeelding: Molex)

Net als de efficiëntie kan de antenneversterking worden gemeten als een gemiddelde of als een piek/maximumwaarde. Bij een bepaalde frequentie wordt de gemiddelde versterking gemeten over alle hoeken in de driedimensionale ruimte, terwijl de maximale versterking een enkel werkpunt betreft. In het algemeen geldt: hoe hoger de gemiddelde winst, hoe beter.

Het stralingspatroon van een antenne is een belangrijke factor bij het bepalen van de versterking. Een theoretische antenne die in alle richtingen dezelfde energie uitstraalt, wordt een isotrope straler genoemd en heeft een versterking van 0 dB (eenheid). Echte antennes, zelfs zogenaamde omnidirectionele ontwerpen, hebben niet-isotrope stralingspatronen en kunnen meer of minder directioneel zijn, gemeten in 3D-vlakken (Afbeelding 3). Een antenne met een versterking van 3 dB is tweemaal zo effectief in een bepaalde richting als een isotrope straler. Het verdubbelt het vermogen van de zender, of de gevoeligheid van de ontvanger, in die specifieke richting.

Afbeelding 3: Stralingspatronen verschillen voor diverse antenneontwerpen en kunnen van belang zijn bij de berekening van het linkbudget. Beide antennes zijn gespecificeerd met omnidirectionele stralingspatronen. (Bron afbeelding: Molex)

Het ontwerp van de antenne en de omgeving beïnvloeden het stralingspatroon. Voor de metingen op het gegevensblad wordt gebruik gemaakt van een omgeving in de vrije ruimte zonder storingen in de omgeving. In de praktijk zal de piekversterking 1 tot 2 decibel lager uitvallen dan isotroop (dBi), omdat het stralingspatroon verandert als gevolg van de omringende componenten.

Het terugkeerverlies (S11) en de verhouding staande golfspanning (VSWR) zijn verwante metingen van de hoeveelheid energie die door de antenne wordt teruggekaatst naar het RF circuit, en kleinere waarden zijn beter (Afbeelding 4). S11 ≤ -6dB of VSWR ≤ 3 worden vaak beschouwd als minimaal aanvaardbare prestatieniveaus. Als S11 = 0 dB, dan wordt al het vermogen gereflecteerd, en wordt er niets uitgestraald. Of, als S11 = -10 dB, wanneer 3 dB vermogen aan de antenne wordt geleverd, is -7 dB het gereflecteerde vermogen. De antenne gebruikt de rest van het vermogen.

Afbeelding 4: Het terugkeerverlies van de antenne met het hoge rendement (rechts) bedraagt ongeveer -14 dB bij 915 MHz, terwijl het terugkeerverlies voor de antenne met het lagere rendement en de vlakkere rendementscurve ongeveer -10 dB bedraagt bij 915 MHz. (Bron afbeelding: Molex)

VSWR is een functie van de reflectiecoëfficiënt. Net als het terugkeerverlies wijst een kleinere VSWR op een betere antenne. De minimumwaarde van VSWR is 1,0, waarbij geen vermogen door de antenne wordt gereflecteerd. Impedantieaanpassing kan worden gebruikt om S11 en VSWR te minimaliseren. Impedantieaanpassing houdt in dat de transmissielijn tussen de antenne en de RF-kring wordt gewijzigd om de maximale energieoverdracht te verbeteren. Een impedantieafwijking heeft tot gevolg dat een deel van het RF-vermogen niet door de antenne wordt aanvaard. Een exacte overeenstemming tussen de impedantie van de transmissielijn en de impedantie van de antenne heeft tot gevolg dat al het RF-vermogen op de antenne wordt ontvangen.

Sommige antennes hebben een impedantie van 50 Ω en hebben geen bijpassend netwerk nodig. De meeste antennes vereisen een impedantie-afstemmingsnetwerk in de transmissielijn om de antenneprestaties te optimaliseren. Over het algemeen zijn bij antennes die meerdere frequentiebanden ondersteunen, bijpassende netwerken vereist. Een bijpassend netwerk kan bestaan uit verschillende combinaties van condensatoren, smoorspoelen of weerstanden, indien nodig.

Verbetering van de antenneprestaties

Een basisantenne bestaat uit een geleider van een bepaalde lengte, maar er kunnen extra elementen worden toegevoegd om de prestaties van de antenne te verbeteren. Een voorbeeld is de MobliquA™-antennetechnologie van Molex, die bandbreedteverhogende technologieën omvat (Afbeelding 5). MobliquA-technologie is ontworpen om het bereik van frequenties te verbeteren waarover het terugkeerverlies aanvaardbaar is, vaak aangeduid als de "impedantiebandbreedte". Deze technologie kan de impedantiebandbreedte met 60 tot 70 procent verbeteren zonder afbreuk te doen aan de stralingsefficiëntie of de afmetingen van de antenne te vergroten. Een ISM-antenne die is ontworpen voor 868 MHz en 915 MHz met gebruikmaking van MobliquA-technologie kan tot 75% minder volume hebben dan conventionele ontwerpen en elimineert de noodzaak van dure circuits en frequentieafstemming die nodig zijn om problemen in verband met de afhankelijkheid van de grondvlakken op te lossen.

Afbeelding 5: De MobliquA-technologie van Molex is ontworpen om de impedantiebandbreedte te verbeteren en een hoge mate van immuniteit te bieden tegen het binnendringen van metalen voorwerpen in het antennevolume. (Bron afbeelding: Molex)

De MobliquA-technologie maakt het gebruik mogelijk van RF-ontkoppelde of geaarde onderdelen, zoals een geaarde connectorbehuizing. Het biedt een goede immuniteit tegen het inbrengen van metalen onderdelen in het antennevolume. De unieke voedingstechnieken in combinatie met een directe aarding van de antenne-elementen bieden een verbeterde bescherming tegen elektrostatische ontlading (ESD) voor het RF-frontend.

Antenne-integratie

Hoewel alle hierboven besproken elektrische specificaties belangrijke aspecten zijn van de integratie van antennes, is er ook nog de kwestie van de mechanische aansluiting en integratie van de antenne in het systeem. Er zijn meerdere mogelijkheden. Zo zijn sommige antennes ontworpen om in het systeem te worden gesoldeerd, terwijl andere zijn voorzien van een coaxkabel en connector die aan het systeem zijn bevestigd. In de volgende twee punten worden enkele specificaties voor elke omnidirectionele antenne gegeven.

Flexibele ISM-antenne met coax en connector

Voor toepassingen die een 868/915 MHz dubbele band ISM-antenne nodig hebben, kunnen ontwerpers zich wenden tot het model 2111400100 van Molex (Afbeelding 6). Deze monopoolantenne meet 38 x 10 x 0,1 millimeter, is gemaakt van een flexibel polymeermateriaal, en heeft een 100 mm lange micro-coaxkabel met een buitendiameter van 1,13 mm en een U.FL-connector die MHF-compatibel is. Het is 'peel-and-stick' en wordt bevestigd op elk niet-metalen oppervlak. Hij kan een RF-vermogen van 2 W aan en heeft een bedrijfstemperatuurbereik van -40 tot +85 °C. Andere antennes in deze serie hebben een kabellengte van 50, 150, 200, 250 en 300 mm, en lengtes op maat kunnen worden vervaardigd.

Afbeelding 6: Deze dubbele band ISM-antenne is flexibel en wordt in het systeem bevestigd met behulp van een 'peel-and-stick'-kleefstof. (Bron afbeelding: Molex)

Enkele belangrijke specificaties zijn:

• Efficiëntie: >55% bij 868 MHz, >60% bij 902 MHz
• Piekversterking: 0,3 dBi bij 868 MHz, 1,0 dBi bij 902 MHz
• Stralingspatroon: omnidirectioneel
• Terugkeerverlies (S11): < -5 dB

Hoog-efficiënte keramische ISM-antenne soldeert aan de PCB

Wanneer een hoger rendement nodig is, kunnen ontwerpers een keramische antenne 2081420001 gebruiken die speciaal is ontworpen voor ISM-toepassingen (Afbeelding 7). Verschillende matching-netwerken kunnen worden gebruikt in twee verschillende frequentiebanden: 868-870 MHz en 902-928 MHz. Hij is geschikt voor gebruik bij -40 tot +125 °C en meet 9 x 3 x 0,63 mm.

Afbeelding 7: Met verschillende bijpassende netwerken kan deze keramische antenne worden gebruikt in twee verschillende frequentiebanden: 868-870 MHz en 902-928 MHz. (Bron afbeelding: Molex)

Enkele belangrijke specificaties zijn:

• Efficiëntie: 70% bij 868 MHz, 65% bij 902 MHz
• Piekversterking: 1,5 dBi bij 868 MHz, 1,8 dBi bij 902 MHz
• Stralingspatroon: omnidirectioneel
• Terugkeerverlies (S11): < -10 bij 868 MHz, < -5 bij 902 MHz

Samenvatting

Antenneoptimalisatie en -integratie in LPWA ISM-toepassingen, waaronder LoRa-, Neul-, SigFox-, Zigbee- en Z-Wave IoT-protocollen, is een belangrijke en complexe taak. Het optimaliseren van het linkbudget is noodzakelijk om goede draadloze prestaties en een lange levensduur van de batterij te garanderen. Het omvat talrijke afwegingen tussen elektrische bedrijfsspecificaties en de ontwikkeling van een effectief impedantie-afstemmingsnetwerk. Bij de keuze van de antenne moet ook rekening worden gehouden met de gebruiksomgeving en de mechanische en interconnectie-eisen van het toestel.