Ottimizzare l'integrazione dell'antenna in dispositivi LPWA ISM

La continua espansione dell'Internet delle cose (IoT) nei dispositivi industriali, consumer e medici, oltre alle città e agli edifici intelligenti, sta portando a un rapido aumento dell'uso delle reti wireless LPWA (bassa potenza, ampio raggio). Ciò è particolarmente vero nelle bande di radiofrequenza (RF) ISM (Industrial, Scientific, Medical) di 915 MHz negli StatiUniti, di 868 e 169 MHz in Europa e di 433 MHz in Asia, che supportano protocolli wireless come LoRa, Neul, SigFox, Zigbee e Z-Wave.

I dispositivi LPWA continuano a rimpicciolirsi e necessitano di antenne economiche e compatte con prestazioni superiori. Gli aspetti legati al piano di massa dell'antenna possono essere particolarmente problematici nelle bande ISM di 868 e 915 MHz. Per affrontarli, si ricorre a circuiti aggiuntivi, una maggiore integrazione dei dispositivi e una regolazione più precisa della frequenza, tutti elementi che possono aumentare i tempi e i costi di sviluppo. I progettisti hanno bisogno di antenne che riducano al minimo i problemi del piano di massa. Inoltre, i dispositivi LPWA sono spesso alimentati a batteria e richiedono la massima efficienza energetica. La scelta e l'integrazione dell'antenna è un aspetto critico di un progetto efficiente. Una soluzione di antenna non ottimale può ridurre la durata della batteria e inficiare le prestazioni complessive del sistema.

Un bilancio di collegamento ottimizzato è la chiave per un'interfaccia di comunicazione wireless affidabile ed efficiente. La scelta e l'integrazione dell'antenna hanno un impatto significativo sul bilancio di collegamento. Tuttavia, la progettazione o la selezione di un'antenna efficiente e ad alte prestazioni che risponda alle esigenze del bilancio di collegamento e del piano di massa è un processo complesso. Le specifiche dell'antenna che influiscono sul bilancio di collegamento includono l'impedenza, l'attenuazione di riflessione, il rapporto di onda stazionaria (ROS) in tensione, il guadagno, la distribuzione dell'irradiazione e altro ancora. L'identificazione di antenne facili da integrare, compatte e ad alte prestazioni che riducono al minimo i problemi del piano di massa può ridurre significativamente i tempi di progettazione e migliorare le prestazioni complessive del sistema.

Questo articolo descrive un modello di bilancio di collegamento di base, esamina le principali specifiche dell'antenna che lo interessano e presenta esempi di antenne di Molex che possono superare i problemi del piano di massa e contribuire a ottimizzare il bilancio di collegamento nei dispositivi LPWA.

Bilancio di collegamento - principi base

Il bilancio di collegamento in un sistema wireless misura l'energia RF effettiva che arriva al ricevitore. L'equazione parte dalla potenza trasmessa in decibel-metri (dBm), aggiunge eventuali guadagni in decibel (dB), sottrae le perdite, anch'esse in dB e arriva alla potenza ricevuta in dBm. In un progetto concreto, numerosi fattori contribuiscono ai guadagni e alle perdite.

Uno sguardo da vicino al bilancio di collegamento

Le prestazioni dell'antenna sono l'unico fattore che influisce sui guadagni e sulle perdite di un bilancio di collegamento. L'efficienza dell'antenna, il guadagno e la distribuzione dell'irradiazione sono tre aspetti importanti delle prestazioni dell'antenna e spesso vengono misurati con una camera OTA (via etere) (Figura 1). Altri fattori che possono influire sui bilancio di collegamento sono l'attenuazione di riflessione (il parametro S11) e il rapporto di onda stazionaria (ROS) in tensione.

Figura 1: Efficienza, guadagno e distribuzione dell'irradiazione dell'antenna misurati con una camera OTA. (DUT nell'immagine si riferisce al dispositivo sotto test) (Immagine per gentile concessione di Molex)

L'efficienza dell'antenna determina la sua emissività. Spesso si utilizza l'efficienza media, ma l'efficienza non è una cifra. È piuttosto una curva che può essere più o meno piatta, a seconda dell'antenna specifica (Figura 2). Spesso un'antenna con una curva di efficienza più piatta avrà un'efficienza massima inferiore rispetto a un'antenna con una curva di efficienza più accentuata.

Figura 2: Le curve di efficienza delle antenne possono variare notevolmente: l'antenna a sinistra ha una curva di efficienza più piatta, ma quella a destra ha un'efficienza di picco del 10% circa superiore a 915 MHz. (Immagine per gentile concessione di Molex)

Come l'efficienza, anche il guadagno dell'antenna può essere misurato come valore medio di picco/massimo. A una determinata frequenza, il guadagno medio è misurato su tutti gli angoli dello spazio tridimensionale, mentre il guadagno massimo è un singolo punto operativo. In generale, più alto è il guadagno medio, meglio è.

La distribuzione dell'irradiazione di un'antenna è un fattore importante per determinare il guadagno. Un'antenna teorica che irradia la stessa energia in tutte le direzioni è chiamata radiatore isotropo e ha un guadagno di 0 dB (unità). Le antenne reali, anche quelle cosiddette omnidirezionali, hanno una distribuzione dell'irradiazione non isotropa e possono essere più o meno direzionali quando sono misurate su piani 3D (Figura 3). Un'antenna con un guadagno di 3 dB è due volte più efficace in una determinata direzione di un radiatore isotropo. Raddoppia la potenza del trasmettitore o la sensibilità del ricevitore in quella specifica direzione.

Figura 3: La distribuzione dell'irradiazione differisce per i vari modelli di antenna e può essere importante nei calcoli del bilancio di collegamento. Entrambe le antenne sono specificate con una distribuzione dell'irradiazione omnidirezionale. (Immagine per gentile concessione di Molex)

Il progetto dell'antenna e l'ambiente circostante influenzano la distribuzione dell'irradiazione. Le misurazioni tipiche riportate nella scheda tecnica utilizzano un ambiente di spazio libero senza interferenze circostanti. Nelle implementazioni reali, il guadagno di picco sarà ridotto di 1 o 2 decibel relativo a un isotropo (dBi), poiché la distribuzione dell'irradiazione cambierà a causa dei componenti circostanti.

L'attenuazione di riflessione (S11) e il rapporto di onda stazionaria (ROS) in tensione sono misurazioni correlate della quantità di energia riflessa dall'antenna verso il circuito RF; qui i valori più bassi sono i migliori (Figura 4). Un valore S11 ≤-6dB o ROS in tensione ≤3 sono spesso considerati i livelli minimi di prestazioni accettabili. Se S11 = 0 dB, tutta la potenza viene riflessa e non irradiata. Oppure, se S11 = -10 dB, quando l'antenna riceve 3 dB di potenza, ne riflette -7 dB. L'antenna utilizza il resto della potenza.

Figura 4: L'attenuazione di riflessione dell'antenna ad alta efficienza (a destra) è di circa -14 dB a 915 MHz, mentre l'attenuazione di riflessione dell'antenna a bassa efficienza con una curva di efficienza più piatta è di circa -10 dB a 915 MHz. (Immagine per gentile concessione di Molex)

Il valore di ROS in tensione è una funzione del coefficiente di riflessione. Come per l'attenuazione di riflessione, una ROS in tensione minore indica un'antenna migliore. Il valore minimo di ROS in tensione è 1,0, dove nessuna potenza viene riflessa dall'antenna. L'adattamento di impedenza può essere utilizzato per ridurre al minimo S11 e ROS in tensione. L'adattamento di impedenza comporta la modifica della linea di trasmissione tra l'antenna e il circuito RF per migliorare il massimo trasferimento di energia. Un disadattamento di impedenza fa sì che una parte della potenza RF non venga accettata dall'antenna. Un adattamento perfetto tra l'impedenza della linea di trasmissione e dell'antenna fa sì che tutta la potenza RF venga ricevuta dall'antenna.

Alcune antenne hanno un'impedenza di 50 Ω e non necessitano di una rete di adattamento. La maggior parte delle antenne richiede una rete di adattamento di impedenza nella linea di trasmissione per ottimizzare le prestazioni. Le reti di adattamento sono generalmente necessarie con antenne che supportano più bande di frequenza. Una rete di adattamento può essere costituita da varie combinazioni di condensatori, induttori o resistori, se necessario.

Migliorare le prestazioni dell'antenna

Un'antenna di base è costituita da un conduttore di una data lunghezza, ma è possibile aggiungere altri elementi per migliorarne le prestazioni. Un esempio è la tecnologia per antenne MobliquA™ di Molex, che include tecniche per il miglioramento della larghezza di banda (Figura 5). La tecnologia MobliquA è stata concepita per migliorare il campo di frequenze in cui l'attenuazione di riflessione è accettabile, spesso definita "larghezza di banda dell'impedenza". Questa tecnologia può migliorare la larghezza di banda dell'impedenza del 60-70% senza compromettere l'efficienza di irradiazione o aumentare le dimensioni dell'antenna. Un'antenna ISM progettata per 868 MHz e 915 MHz utilizzando la tecnologia MobliquA può avere fino al 75% di volume in meno rispetto ai modelli convenzionali, eliminando la necessità di costosi circuiti e regolazione della frequenza richiesti per i problemi legati al piano di massa.

Figura 5: La tecnologia MobliquA di Molex è concepita per migliorare l'ampiezza di banda dell'impedenza e fornire un elevato grado di immunità all'inserimento di oggetti metallici nel volume dell'antenna. (Immagine per gentile concessione di Molex)

La tecnologia MobliquA consente l'uso di parti RF disaccoppiate o messe a terra, ad esempio l'alloggiamento a massa del connettore. Offre una buona immunità dall'inserimento di oggetti metallici nel volume dell'antenna. Le sue esclusive tecniche di introduzione, combinate con la messa a terra diretta degli elementi dell'antenna, garantiscono una maggiore protezione dalle scariche elettrostatiche (ESD) per il front-end RF.

Integrazione dell'antenna

Mentre tutte le specifiche elettriche discusse in precedenza sono aspetti importanti per l'integrazione dell'antenna, non è da sottovalutare la questione del collegamento meccanico e dell'integrazione dell'antenna nel sistema. Le possibilità qui sono molteplici. Ad esempio, alcune antenne sono destinate ad essere saldate al sistema, mentre altre includono un cavo coassiale e un connettore per il collegamento al sistema. Le due sezioni seguenti presentano alcune delle specifiche di ciascuna antenna omnidirezionale.

Antenna ISM flessibile con cavo coassiale e connettore

Per le applicazioni che richiedono un'antenna ISM a doppia banda 868/915 MHz, i progettisti possono rivolgersi al modello 2111400100 di Molex (Figura 6). Questa antenna a monopolo misura 38 x 10 x 0,1 mm, è realizzata in un materiale polimerico flessibile e dispone di un cavo micro-coassiale lungo 100 mm dal diametro esterno di 1,13 mm e di un connettore U.FL compatibile con MHF. È adesiva e si fissa a qualsiasi superficie non metallica. Può gestire 2 W di potenza RF e ha un intervallo della temperatura di funzionamento compreso tra -40 e +85 °C. Le altre antenne di questa serie hanno opzioni di lunghezza del cavo di 50, 150, 200, 250 e 300 mm e possono essere realizzate con lunghezze personalizzate.

Figura 6: Questa antenna ISM a doppia banda è flessibile e viene montata nel sistema con un adesivo. (Immagine per gentile concessione di Molex)

Alcune specifiche chiave includono:

• Efficienza: >55% a 868 MHz, >60% a 902 MHz
• Guadagno di picco: 0,3 dBi a 868 MHz, 1,0 dBi a 902 MHz
• Distribuzione dell'irradiazione: omnidirezionale
• Attenuazione di riflessione (S11): <-5 dB

Antenna ISM ceramica ad alta efficienza saldata su PCB

Quando è necessaria una maggiore efficienza, i progettisti possono utilizzare un'antenna ceramica 2081420001 specificamente progettata per applicazioni ISM (Figura 7). È possibile utilizzare reti di adattamento diverse in due bande di frequenza diverse: 868-870 MHz e 902-928 MHz. Adatta per il funzionamento da -40 a +125 °C, misura 9 x 3 x 0,63 mm.

Figura 7: Con diverse reti di adattamento, questa antenna ceramica può essere utilizzata in due diverse bande di frequenza: 868-870 MHz e 902-928 MHz. (Immagine per gentile concessione di Molex)

Alcune specifiche chiave includono:

• Efficienza: 70% a 868 MHz, 65% a 902 MHz
• Guadagno di picco: 1,5 dBi a 868 MHz, 1,8 dBi a 902 MHz
• Distribuzione dell'irradiazione: omnidirezionale
• Attenuazione di riflessione (S11): <-10 a 868 MHz, <-5 a 902 MHz

Riepilogo

L'ottimizzazione e l'integrazione dell'antenna nelle applicazioni LPWA ISM, compresi i protocolli IoT LoRa, Neul, SigFox, Zigbee e Z-Wave, è un'attività importante e complessa. L'ottimizzazione del bilancio di collegamento è necessaria per garantire buone prestazioni wireless e una lunga durata della batteria. Tutto ciò comprende numerosi compromessi sulle specifiche di funzionamento elettrico e per lo sviluppo di un'efficace rete di adattamento dell'impedenza. Il processo di selezione dell'antenna deve considerare anche l'ambiente operativo e i requisiti meccanici e di interconnessione del dispositivo.