Optimierung der Antennenintegration in ISM-LPWA-Geräte

Von Jeff Shepard

Zur Verfügung gestellt von Nordamerikanische Fachredakteure von Digi-Key

Die kontinuierliche Ausbreitung des Internets der Dinge (IoT) in Industrie-, Verbraucher- und medizintechnischen Geräten sowie in neu entstehenden intelligenten Städten und intelligenten Gebäuden führt zu einer rasch zunehmenden Nutzung von drahtlosen LPWA-Netzen (LPWA: Low Power Wide Area). Dies gilt insbesondere für die ISM-Bänder (Industrie, Wissenschaft und Medizin) in den Frequenzbereichen von 915 MHz in den USA,868 und 169 MHz in Europa und 433 MHz in Asien, die Funkprotokolle wie LoRa, Neul, SigFox, Zigbee und Z-Wave unterstützen.

LPWA-Geräte werden immer kleiner und benötigen kostengünstige und kompakte Antennen mit hervorragender Performance. Probleme mit der Antennen-Erdungsebene können besonders in den ISM-Bändern 868 und 915 MHz problematisch sein. Sie können durch zusätzliche Schaltungen, eine stärkere Geräteintegration und eine präzisere Frequenzabstimmung behoben werden, was die Entwicklungszeit und die Kosten erhöht. Entwickler benötigen Antennen, die die Probleme mit der Erdungsebene minimieren. Darüber hinaus sind LPWA-Geräte häufig batteriebetrieben und erfordern eine maximale Energieeffizienz. Die Auswahl und Integration der Antenne ist ein entscheidender Aspekt eines effizienten Designs. Eine nicht optimale Antennenlösung kann die Batterielebensdauer verkürzen und zu einer schlechten Gesamtsystemleistung führen.

Ein optimiertes Verbindungsbudget ist ein Schlüssel zu einer zuverlässigen und effizienten drahtlosen Kommunikationsschnittstelle. Antennenauswahl und -integration haben einen erheblichen Einfluss auf das Verbindungsbudget. Der Entwurf oder die Auswahl einer effizienten und leistungsstarken Antenne, die sowohl dem Verbindungsbudget als auch den Herausforderungen der Erdungsebene gerecht wird, ist jedoch ein komplexer Prozess. Zu den Antennenspezifikationen, die sich auf das Verbindungsbudget auswirken, gehören Impedanz, Rückflussdämpfung, Stehwellenverhältnis, Verstärkung, Strahlungsmuster und vieles mehr. Die Identifizierung von einfach zu integrierenden, kompakten und leistungsstarken Antennen, die die Probleme mit der Erdungsebene minimieren, kann die Entwicklungszeit erheblich verkürzen und die Gesamtleistung des Systems verbessern.

Dieser Artikel beschreibt ein grundlegendes Link-Budget-Modell, gibt einen Überblick über die wichtigsten Antennenspezifikationen, die sich auf das Link-Budget auswirken, und stellt Beispiele für Antennen von Molex vor, die Probleme mit der Erdungsebene lösen und zur Optimierung des Link-Budgets in LPWA-Geräten beitragen können.

Grundlegendes Link-Budget

Ein Link-Budget in einem drahtlosen System misst die effektive HF-Energie, die beim Empfänger ankommt. Die Gleichung beginnt mit der gesendeten Leistung in Dezibelmetern (dBm), addiert etwaige Verstärkungen in Dezibel (dB), subtrahiert Verluste, ebenfalls in dB, und erhält die empfangene Leistung in dBm. In einem praktischen Entwurf gibt es zahlreiche Faktoren, die zu Gewinnen und Verlusten beitragen.

Tiefere Einblicke in Link-Budgets

Die Antennenleistung ist der einzige Faktor, der sich auf Gewinne und Verluste in einem Verbindungsbudget auswirkt. Antennenwirkungsgrad, Verstärkung und Strahlungsdiagramm sind drei wichtige Aspekte der Antennenleistung, die häufig mit einer OTA-Kammer (Over-the-Air) gemessen werden (Abbildung 1). Weitere Faktoren, die sich auf das Verbindungsbudget auswirken können, sind die Rückflussdämpfung (der Parameter S11) und das Stehwellenverhältnis (VSWR).

Bild: Antenneneffizienz, Verstärkung und Strahlungsdiagramm werden mit einer OTA-Kammer gemessenAbbildung 1: Wirkungsgrad, Verstärkung und Strahlungsdiagramm der Antenne werden mit einer OTA-Kammer gemessen. (DUT in der Abbildung bezieht sich auf getestete Gerät (Device Under Test)) (Bildquelle: Molex)

Der Antennenwirkungsgrad bestimmt die Emissivität einer Antenne. Häufig wird ein durchschnittlicher Wirkungsgrad verwendet, aber der Wirkungsgrad ist nicht eine einzige Zahl. Es handelt sich um eine Kurve, die je nach der betrachteten Antenne mehr oder weniger flach sein kann (Abbildung 2). Oft hat eine Antenne mit einer flacheren Wirkungsgradkurve einen geringeren maximalen Wirkungsgrad als eine Antenne mit einer spitzeren Wirkungsgradkurve.

Die Kurven der Antenneneffizienz können sehr unterschiedlich sein (zum Vergrößern anklicken)Abbildung 2: Die Wirkungsgradkurven von Antennen können sehr unterschiedlich sein: Die Antenne auf der linken Seite hat eine flachere Wirkungsgradkurve, aber die auf der rechten Seite hat einen etwa 10 % höheren Spitzenwirkungsgrad bei 915 MHz. (Bildquelle: Molex)

Wie der Wirkungsgrad kann auch die Antennenverstärkung als Durchschnitts- oder Spitzen-/Maximalwert gemessen werden. Bei einer bestimmten Frequenz wird die durchschnittliche Verstärkung über alle Winkel im dreidimensionalen Raum gemessen, während die maximale Verstärkung ein einzelner Arbeitspunkt ist. Im Allgemeinen gilt: Je höher die durchschnittliche Verstärkung, desto besser.

Das Strahlungsdiagramm einer Antenne ist ein wichtiger Faktor bei der Bestimmung der Verstärkung. Eine theoretische Antenne, die in alle Richtungen die gleiche Energie abstrahlt, wird als isotroper Strahler bezeichnet und hat eine Verstärkung von 0 dB. Reale Antennen, selbst so genannte Rundstrahlantennen, haben nicht-isotrope Strahlungsdiagramme und können mehr oder weniger gerichtet sein, gemessen in 3D-Ebenen (Abbildung 3). Eine Antenne mit einer Verstärkung von 3 dB ist in einer bestimmten Richtung doppelt so effektiv wie ein isotroper Strahler. Sie verdoppelt die Leistung des Senders bzw. die Empfindlichkeit des Empfängers in dieser bestimmten Richtung.

Unterschiedliche Strahlungsdiagramme für verschiedene Antennendesigns (zum Vergrößern anklicken)Abbildung 3: Strahlungsdiagramme unterscheiden sich bei verschiedenen Antennendesigns und können bei der Berechnung des Verbindungsbudgets von Bedeutung sein. Beide Antennen sind mit omnidirektionalen Strahlungsdiagrammen spezifiziert. (Bildquelle: Molex)

Das Antennendesign und die Umgebung beeinflussen das Strahlungsdiagramm. Typische Datenblattmessungen finden in einer freien Umgebung ohne Störungen statt. In der Praxis wird die Spitzenverstärkung um 1 bis 2 Dezibel im Vergleich zu isotrop (dBi) reduziert, da sich das Strahlungsdiagramm aufgrund der umgebenden Komponenten ändert.

Die Rückflussdämpfung (S11) und das Stehwellenverhältnis (VSWR) sind verwandte Messwerte für die von der Antenne an den HF-Schaltkreis zurückreflektierte Energiemenge, wobei kleinere Werte besser sind (Abbildung 4). S11 ≤ -6dB oder VSWR ≤ 3 werden häufig als akzeptable Mindestleistungswerte angesehen. Wenn S11 = 0 dB ist, wird die gesamte Leistung reflektiert und nicht abgestrahlt. Oder, wenn S11 = -10 dB, wenn 3 dB Leistung an die Antenne abgegeben werden, sind -7 dB die reflektierte Leistung. Der Rest der Leistung wird von der Antenne verbraucht.

Diagramme der Rückflussdämpfung der Antenne mit hohem Wirkungsgrad im Vergleich zur Antenne mit niedrigem Wirkungsgrad (zum Vergrößern anklicken)Abbildung 4: Die Rückflussdämpfung der Antenne mit hohem Wirkungsgrad (rechts) beträgt etwa -14 dB bei 915 MHz, während die Rückflussdämpfung der Antenne mit geringerem Wirkungsgrad und flacherer Wirkungsgradkurve etwa -10 dB bei 915 MHz beträgt. (Bildquelle: Molex)

VSWR ist eine Funktion des Reflexionskoeffizienten. Wie die Rückflussdämpfung ist auch ein kleinerer VSWR ein Hinweis auf eine bessere Antenne. Der Mindestwert des VSWR ist 1,0, bei dem keine Leistung von der Antenne reflektiert wird. Die Impedanzanpassung kann verwendet werden, um S11 und VSWR zu minimieren. Bei der Impedanzanpassung wird die Übertragungsleitung zwischen der Antenne und dem HF-Schaltkreis verändert, um die maximale Energieübertragung zu verbessern. Eine Impedanzfehlanpassung führt dazu, dass ein Teil der HF-Leistung nicht von der Antenne aufgenommen wird. Eine exakte Anpassung zwischen der Impedanz der Übertragungsleitung und der Antennenimpedanz führt dazu, dass die gesamte HF-Leistung an der Antenne empfangen wird.

Einige Antennen haben eine Impedanz von 50 Ω und benötigen kein Anpassungsnetzwerk. Die meisten Antennen benötigen ein Impedanzanpassungsnetzwerk in der Übertragungsleitung, um die Leistung der Antenne zu optimieren. Bei Antennen, die mehrere Frequenzbänder unterstützen, sind in der Regel Anpassungsnetzwerke erforderlich. Ein Anpassungsnetzwerk kann je nach Bedarf aus verschiedenen Kombinationen von Kondensatoren, Induktivitäten oder Widerständen bestehen.

Verbessern der Antennenleistung

Eine Basisantenne besteht aus einem Leiter mit einer bestimmten Länge, aber es können zusätzliche Elemente hinzugefügt werden, um die Leistung der Antenne zu verbessern. Ein Beispiel ist die MobliquA™-Antennentechnologie von Molex, die Technologien zur Verbesserung der Bandbreite enthält (Abbildung 5). Die MobliquA-Technologie wurde entwickelt, um den Frequenzbereich zu verbessern, in dem die Rückflussdämpfung akzeptabel ist, was oft als „Impedanzbandbreite“ bezeichnet wird Mit dieser Technologie kann die Impedanzbandbreite um 60 bis 70 Prozent verbessert werden, ohne die Strahlungseffizienz zu beeinträchtigen oder die Größe der Antenne zu erhöhen. Eine ISM-Antenne für 868 MHz und 915 MHz, die mit der MobliquA-Technologie entwickelt wurde, kann bis zu 75 % weniger Volumen haben als herkömmliche Designs und macht teure Schaltungen und Frequenzabstimmungen überflüssig, die erforderlich sind, um Probleme der Abhängigkeit von der Erdungsebene zu lösen.

Bild zur MobliquA-Technologie von MolexAbbildung 5: Die MobliquA-Technologie von Molex wurde entwickelt, um die Impedanzbandbreite zu verbessern und ein hohes Maß an Immunität gegenüber dem Eindringen von Metallobjekten in das Antennenvolumen zu gewährleisten. (Bildquelle: Molex)

Die MobliquA-Technologie ermöglicht die Verwendung von HF-entkoppelten oder geerdeten Teilen, wie z. B. einem geerdeten Steckergehäuse. Sie bietet eine gute Immunität gegen das Einbringen von Metallteilen in das Antennenvolumen. Die einzigartigen Speisetechniken in Kombination mit einer direkten Erdung der Antennenelemente bieten einen verbesserten Schutz vor elektrostatischen Entladungen (ESD) für das HF-Frontend.

Antennenintegration

Während alle oben genannten elektrischen Spezifikationen wichtige Aspekte der Antennenintegration sind, gibt es auch die Frage des mechanischen Anschlusses und der Integration der Antenne in das System. Es gibt mehrere Möglichkeiten. So sind einige Antennen so konzipiert, dass sie in das System eingelötet werden können, während andere mit einem Koaxialkabel und einem Stecker am System befestigt sind. In den folgenden beiden Abschnitten werden einige der Spezifikationen für jede Rundstrahlantenne vorgestellt.

Flexible ISM-Antenne mit Koax und Stecker

Für Anwendungen, die eine 868/915-MHz-Dualband-ISM-Antenne benötigen, können Entwickler auf das Modell 2111400100 von Molex zurückgreifen (Abbildung 6). Diese Monopolantenne misst 38 x 10 x 0,1 Millimeter (mm), besteht aus einem flexiblen Polymermaterial und verfügt über ein 100 mm langes Mikrokoaxialkabel mit einem Außendurchmesser von 1,13 mm und einem MHF-kompatiblen U.FL-Anschluss. Sie ist abziehbar und kann auf jeder nichtmetallischen Oberfläche angebracht werden. Sie kann eine HF-Leistung von 2 W verarbeiten und bietet einen Betriebstemperaturbereich von -40 bis +85 °C. Andere Antennen dieser Serie haben eine Kabellänge von 50, 150, 200, 250 und 300 mm, und es können auch kundenspezifische Längen hergestellt werden.

Abbildung: Flexible Dualband-ISM-Antenne 2111400100 von MolexAbbildung 6: Diese Dualband-ISM-Antenne ist biegsam und abziehbar und wird mit seinem Haftkleber im System befestigt. (Bildquelle: Molex)

Einige der wichtigsten Spezifikationen sind:

  • Wirkungsgrad: >55% bei 868 MHz, >60% bei 902 MHz
  • Spitzenverstärkung: 0,3 dBi bei 868 MHz, 1,0 dBi bei 902 MHz
  • Abstrahlcharakteristik: omnidirektional
  • Rückflussdämpfung (S11): < -5 dB

Auf Platinen auflötbare hocheffiziente keramische ISM-Antenne

Wenn ein höherer Wirkungsgrad erforderlich ist, steht Entwicklern die Keramikantenne 2081420001 zur Verfügung, die speziell für ISM-Anwendungen ausgelegt ist (Abbildung 7). Verschiedene Anpassungsnetzwerke können in zwei verschiedenen Frequenzbändern verwendet werden: 868 bis 870 MHz und 902 bis 928 MHz. Sie ist für den Betrieb von -40 bis +125 °C ausgelegt und misst 9 x 3 x 0,63 mm.

Bild der Keramikantenne 2081420001 von MolexAbbildung 7: Mit verschiedenen Anpassungsnetzwerken kann diese Keramikantenne in zwei verschiedenen Frequenzbändern verwendet werden: 868 bis 870 MHz und 902 bis 928 MHz. (Bildquelle: Molex)

Einige der wichtigsten Spezifikationen sind:

  • Wirkungsgrad: 70% bei 868 MHz, 65% bei 902 MHz
  • Spitzenverstärkung: 1,5 dBi bei 868 MHz, 1,8 dBi bei 902 MHz
  • Abstrahlcharakteristik: omnidirektional
  • Rückflussdämpfung (S11): < -10 bei 868 MHz, < -5 bei 902 MHz

Zusammenfassung

Die Optimierung und Integration von Antennen in LPWA-ISM-Anwendungen, einschließlich LoRa, Neul, SigFox, Zigbee und Z-Wave-IoT-Protokollen, ist eine wichtige und komplexe Aufgabe. Die Optimierung des Verbindungsbudgets ist notwendig, um eine gute Funkleistung und eine lange Akkulaufzeit zu gewährleisten. Dazu gehören zahlreiche Kompromisse bei den elektrischen Betriebsspezifikationen und die Entwicklung eines effektiven Impedanzanpassungsnetzwerks. Bei der Auswahl der Antenne müssen auch die Betriebsumgebung und die Anforderungen an die Mechanik und die Verbindungstechnik des Geräts berücksichtigt werden.

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Über den Autor

Jeff Shepard

Jeff has been writing about power electronics, electronic components, and other technology topics for over 30 years. He started writing about power electronics as a Senior Editor at EETimes. He subsequently founded Powertechniques, a power electronics design magazine, and later founded Darnell Group, a global power electronics research and publishing firm. Among its activities, Darnell Group published PowerPulse.net, which provided daily news for the global power electronics engineering community. He is the author of a switch-mode power supply text book, titled “Power Supplies,” published by the Reston division of Prentice Hall.

Jeff also co-founded Jeta Power Systems, a maker of high-wattage switching power supplies, which was acquired by Computer Products. Jeff is also an inventor, having his name is on 17 U.S. patents in the fields of thermal energy harvesting and optical metamaterials and is an industry source and frequent speaker on global trends in power electronics. He has a Masters Degree in Quantitative Methods and Mathematics from the University of California.

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