Проблема оптимального выбора миниатюрных антенн становится острее в условиях все более разнообразного спектра устройств Интернета вещей (IoT), где нормативные требования ограничивают мощность передачи в доступных полосах частот, а требования клиентов вынуждают инженеров увеличивать пропускную способность и зону покрытия.
Традиционный подход к выбору антенны заключается в использовании элемента, длина которого составляет половину длины радиоволны. В случае дипольной антенны это означает 62,5 мм для диапазона 2,4 ГГц, что является относительно большим значением по отношению к пространству и размерам решений IoT, поэтому разместить относительно длинную антенну внутри прибора сложно.
Также эти устройства используют несколько радиочастот для радиосвязи и все чаще включают в себя несколько коммуникационных модулей, например Bluetooth LE, Wi-Fi, GPS или сотовый модем. Это означает наличие нескольких антенн, для каждой из которых требуется собственная согласующая схема, что увеличивает стоимость, сложность и занимаемое пространство.
Встроенные антенны внутрь устройства, позволяют найти компромисс для многих проблем связанных с доступной площадью и стоимостью реализации IoT девайсов, и работают во многих радиодиапазонах. Эти решения характеризуются компактной конструкцией, малыми габаритами и возможностью работы в нескольких различных частотных диапазонах с хорошей эффективностью. За этими преимуществами конечно стоит компромисс: производительность встроенной многодиапазонной антенны будет уступать однодиапазонной версии. Поэтому разработчик должен строго придерживаться рекомендаций по проектированию, чтобы максимизировать эффективность антенны, используемой на всех рабочих частотах.
Антенна должна быть тщательно сопряжена с заземлением на печатной плате и схемой согласования сопротивления. Каждый из этих компонентов вносит значительный вклад в общую производительность антенной системы, а схему согласования может быть особенно трудно реализовать с миниатюрными многодиапазонными антеннами.
Основы работы антенн
Антенна преобразует сигнал ВЧ напряжения в электромагнитную волну и наоборот, и проблема оптимизации ее характеристик заключается в том, чтобы излучать столько мощности, подаваемой передатчиком, сколько надо энергии радиоволн, и чтобы антенна получала как можно больше энергии от входящего сигнала для приёмника. Эффективность, с которой она выполняет эти функции, во многом определяет дальность и пропускную способность связи в устройствах IoT.
Производительность антенны (обычно измеряемая в децибелах) зависит от нескольких факторов, но ключевым является соответствие сопротивлений. Значительное несоответствие приводит к плохой эффективности. Ключом к повышению эффективности является выравнивание двух сопротивлений (согласование).
Любая мощность сигнала создаваемая передатчиком и отраженная антенной обратно в линию передачи из-за несоответствия сопротивления, нарушает передачу энергии и создает стоячую волну. Обычной мерой того, насколько хорошо согласованы сопротивления, является коэффициент стоячей волны по напряжению (КСВН). Его значение 1 означает полное согласование и отсутствие потерь мощности, в то время как более высокие числа указывают на то, что только часть мощности передатчика излучается антенной в эфир. Например КСВ = 3 означает, что около 75% мощности передатчика идет на антенну.
Другая сложность заключается в том, что сопротивление антенны зависит от частоты. Хорошо когда система работает на одной частоте, но в IoT часто используются многочастотные приемопередатчики. Это необходимо для одновременного использования нескольких стандартов, таких как Bluetooth LE (2,4 ГГц), Wi-Fi (2,4, 5 и более и чаще 6 ГГц), LTE-M/NB-IoT (работает в нескольких диапазонах от 700 до 2200 МГц) и GPS-приемники (1227 и 1575 МГц).
Одним из вариантов является использование отдельной антенны с согласованием сопротивления для каждого диапазона, но этот подход значительно увеличивает сложность, размер и стоимость компоновки. В качестве альтернативы можно использовать многодиапазонную антенну и разработать схему согласования, которая эффективно работает во всем диапазоне рабочих частот.
Выбор и размещение антенны
На рынке есть несколько поставщиков предлагающих антенные решения во встроенном варианте. Зная диапазоны частот данного продукта, относительно легко сузить список множества антенн в каталогах дистрибьюторов до нескольких позиций. Например, Ignion предлагает ряд антенн, подходящих для IoT, включая две интересные модели: ALL MXTEND NN02-220 и TRIO MXTEND NN03-310.
- NN02-220 — это многодиапазонная антенна, подходящая для использования в сотовых сетях 2G, 3G, 4G и 5G, а также в узкополосных сетях NB-IoT/LTE-M. Она имеет размеры 24 х 12 х 2 мм. При правильной интеграции может достичь КПД до 70% и обеспечит КСВ ниже 3:1. Имеет всенаправленную диаграмму направленности.
- NN03-310 работает в тех же диапазонах частот сотовых сетей, что и NN02-220, а также в диапазонах GNSS, Bluetooth LE, Wi-Fi 6E и UWB. Её размеры 30 х 3 х 1 мм, КПД близок к 65%, поэтому КСВ ниже 3:1, а диаграмма направленности также всенаправленная.
После выбора встроенной антенны следующим шагом будет проектирование плоскости заземления, чтобы уравновесить ее. Её поверхность оказывает большое влияние на эффективность коммуникации. Например, на частоте 900 МГц заземляющая плата площадью 10 см2 может обеспечить эффективность 30%, а площадь 40 см2 повысит ее до 60%. Таким образом рекомендуется использовать как можно большую печатную плату, а затем использовать один полный слой в качестве противовеса антенне. Следует отметить, что по мере увеличения рабочей частоты, размер этого заземляющего слоя все меньше влияет на характеристики. На частотах выше нескольких ГГц это влияние вообще незначительно.
Положение антенны на печатной плате также оказывает большое влияние на передачу и прием. Рекомендуется размещать её в углу и как можно дальше от других элементов и источников электромагнитных помех. Для уровней мощности используемых в сотовых сетях для IoT устройств, минимальным считается расстояние 20 мм до других компонентов. Плоскость противовеса должна быть удалена от антенны.
Печатная плата и дорожки, соединяющие антенну с остальной частью схемы, должны быть единственными медными соединениями в этом районе. Также рекомендуется размещать антенну вдали от винтов корпуса и других металлических частей. Например, на плате Nordic Semiconductor nRF6943 IoT антенна расположена на одной стороне платы, и между ней и другими компонентами есть зазор.
Комплект nRF6943 предназначен для разработки устройств IoT, использующих беспроводную связь Bluetooth LE, LTE-M/NB-IoT с GPS.
Схема согласования антенны
Наиболее важной частью антенной системы является цепь согласования сопротивления, расположенная между антенной и приемопередатчиком. Она отвечает за снижение потерь мощности при передаче и снижение чувствительности при приеме за счет согласования сопротивления антенны со схемой передатчика (обычно 50 Ом).
Задача проектировщика состоит не только в том, чтобы создать соответствующую топологию этой схемы, но и чтобы подобрать номиналы катушек и конденсаторов, чтобы преобразовать сопротивление источника напряжения в соответствие с сопротивлением антенны. Использование элементов с высокой добротностью и жесткими допусками повышает качество. При работе в одной полосе частот, например 2,4 ГГц, конструкция согласующей цепи относительно проста, но для многодиапазонных решений значительно усложняется.
Чтобы помочь разработчикам, производители антенн предоставляют программное обеспечение, облегчающее эту задачу. После ввода размера платы в качестве данных, выбора антенны, определения требований к рабочей полосе частот и параметров коэффициента отражения S11, который является индексом производительности, можно разработать не только схему согласования, но и номиналы компонентов вычислить. Если плата достаточно велика, можно спроектировать антенную систему только с одной антенной и согласующей схемой, чтобы удовлетворить требования многодиапазонной системы.
Для небольших плат и небольших плоскостей заземления, многодиапазонная антенная система с одной согласующей схемой может работать плохо. Одним из решений является использование нескольких согласующихся сетей и их переключение с помощью контроллера. Это повышает производительность во всех частотных диапазонах, но недостатком является увеличение стоимости и сложности по сравнению с одной согласующей схемой.
На рисунке показана антенна NN03-310, используемая в эталонном проекте. Она была размещена на небольшой печатной плате с помощью трех согласующих цепей. Участки “а” – “с” работают в сотовых диапазонах 824-960 МГц и 1710-1990 МГц; “d” и “e” в диапазоне GNSS 1561-1606 МГц; и «f» в диапазоне 2,4 ГГц (Bluetooth LE или Wi-Fi). Далее показана готовая конструкция и значения компонентов для частей этой схемы (участки a, b и c), а также имитируется работа этой конструкции.
Тестирование антенны
Хоть программное обеспечение схемы согласования обеспечивает хорошую оценку частотной характеристики и эффективности антенной системы, фактический прототип необходимо протестировать, чтобы убедиться что антенна обеспечивает не только покрытие, но и всенаправленные характеристики.
Первое измерение можно произвести подключив к антенне тонкий коаксиальный кабель сопротивлением 50 Ом, заземленный в трех или четырех точках на печатной плате, а затем подключив этот кабель к анализатору. Результаты будут демонстрировать не только производительность, но также частотную характеристику и полосу пропускания. Это измерение обычно выявляет необходимость регулировки параметров согласующих элементов.
Выше моделирование КСВ и характеристики антенной системы для эталонного проекта, показанного на рисунке. 3, используя NN03-310 и схему согласования, рассчитанную программой Ignion.
Оценочные платы для антенн Ignion включают коаксиальный кабель 50 Ом, готовый для подключения к сетевому анализатору. Разработчик может подключить оценочные платы к анализатору цепей, чтобы увидеть частотную характеристику которую он может ожидать от проекта, основанного на этом эталонном решении.
Окончательное испытание характеристик радиосвязи следует проводить в безэховой камере. Этот тест часто выявляет проблемы с направленностью и производительностью для определенных частотных диапазонов, которые не видны при тестировании с помощью анализатора. Они могут потребовать изменения типа используемой антенны, изменения конструкции плоскости заземления или настройки схемы.
Подведем итоги
Небольшие размеры устройств и необходимость эксплуатации радиотракта во многих частотных диапазонах делают установку антенны достаточно сложной задачей. А использование нескольких антенн с отдельными согласующими цепями увеличивает сложность и стоимость. Использование эталонных проектов производителей и использование программного обеспечения для расчета параметров согласующей схемы и моделирования представляется наилучшим способом продолжения работы.
Встроенные антенны экономят место, используя одно устройство для нескольких частот. Компромисс заключается в том, что плоскость заземления, зазор и согласование цепей становятся еще более сложными, но поставщики встраиваемых антенн предлагают проверенные рекомендации по проектированию и инструменты программного моделирования, которые могут упростить дело. В любом случае проектирование антенной системы часто сводится к неоднократному тестированию работоспособности проекта и последующей точной настройке макета.
