Selecteren en toepassen van antennes voor IoT-apparaten

Dankzij de proliferatie van apparaten voor het Internet of Things (IoT) blijft het ontwerpen van innovatieve eindproducten versnellen en inspireren. Ontwerpers moeten echter niet vergeten dat, ongeacht de hoeveelheid creativiteit en werk voor de hardware en software, de antenne een cruciale rol speelt. Als de antenne niet goed werkt, komen de prestaties van het product ernstig in gevaar.

De antenne is de interface tussen het apparaat en het draadloze netwerk en dus een kritisch onderdeel van het ontwerpproces van IoT-apparaten. De antenne zet elektrische energie om in een elektromagnetische radiofrequentiegolf (RF-golf) bij de zender en een binnenkomend RF-signaal om in elektrische energie bij de ontvanger. Ontwerpers kunnen de prestaties van een toepassing optimaliseren door een antenne te kiezen die voldoet aan belangrijke technische parameters. De vele beschikbare opties en overwegingen kunnen echter leiden tot vertraagde en kostbare ontwerpcycli.

Dit artikel geeft een overzicht van de rol van een antenne in een draadloos IoT-apparaat en beschrijft kort de kritieke ontwerpcriteria die van invloed zijn op de selectie ervan. Vervolgens worden aan de hand van voorbeeldantennes van Amphenol geschikte keuzes geïllustreerd voor een Bluetooth Low Energy (LE) of Wi-Fi-sensor, een IoT asset tracker met GNSS-satellietpositiebepaling, een Wi-Fi-toegangspunt (AP) en een LoRa IoT-apparaat.

Interpreteren van het gegevensblad

De uiteindelijke prestaties van een antenne zijn afhankelijk van technische beslissingen zoals de montagepositie en het ontwerp van impedantienetwerken. Een goede implementatie vereist een zorgvuldige bestudering van het gegevensblad van de antenne. Belangrijkste parameters:

• Stralingspatroon: dit geeft grafisch weer hoe de antenne radio-energie uitstraalt (of absorbeert) in de 3D-ruimte (afbeelding 1).
• Maximale vermogensoverdracht: een goede vermogensoverdracht tussen de antenne en de ontvanger treedt op wanneer de impedantie van de transmissielijn (Z₀) is afgestemd op die van de antenne (Z_a). Een slechte aanpassing van de impedantie verhoogt het retourverlies (RL). De staande-golfverhouding gebaseerd op spanning (VSWR) geeft de impedantieaanpassing tussen de transmissielijn en de antenne aan (tabel 1). Hoge VSWR-waarden resulteren in hoge vermogensverliezen. Een VSWR lager dan 2 is doorgaans acceptabel voor een IoT-product.
• Frequentierespons: retourverlies (RL) is afhankelijk van de radiofrequentie. Ontwerpers moeten het gegevensblad raadplegen voor de frequentierespons van de antenne om ervoor te zorgen dat RL wordt geminimaliseerd bij de beoogde bedrijfsfrequentie (afbeelding 2).
• Richtingsgevoeligheid: dit meet de richtingsgevoeligheid van het stralingspatroon van de antenne. De maximale richtingsgevoeligheid wordt gedefinieerd als D_max.
• Efficiëntie (η): de verhouding tussen het totale uitgestraalde vermogen (TRP, of P_rad) en het ingangsvermogen (P_in) wordt berekend met de formule η = (Prad/Pin) * 100%.
• Gain: dit beschrijft hoeveel vermogen er wordt uitgezonden in de richting van de piekstraling. Meestal wordt verwezen naar een isotrope antenne met een dBi-aanduiding. Dit wordt berekend met de formule Gain_max = η * D_max.

Afbeelding 1: Stralingspatronen geven grafisch weer hoe de antenne radio-energie uitstraalt of absorbeert in de 3D-ruimte. Gegevensbladen tonen meestal de maximale afmeting in het XY- en YZ-vlak wanneer de antenne is gemonteerd zoals bedoeld. (Bron afbeelding: Amphenol)

Tabel 1: De VSWR geeft de impedantieovereenkomst aan tussen de transmissielijn en de antenne. Een VSWR lager dan 2 is doorgaans acceptabel voor een IoT-product. (Bron tabel: Steven Keeping)

Afbeelding 2: VSWR en RL zijn afhankelijk van de frequentie. RL moet geminimaliseerd worden bij de beoogde bedrijfsfrequentie. (Bron afbeelding: Amphenol)

Verbeteren van prestaties

Een antenne met slechte prestaties beperkt hoeveel elektrisch vermogen er wordt omgezet in uitgestraalde energie bij de zender en hoeveel energie er wordt geoogst van binnenkomende RF-signalen bij de ontvanger. Slechte prestaties aan beide uiteinden verminderen het bereik van de draadloze verbinding.

De belangrijkste factor die de prestaties van de antenne beïnvloedt, is impedantie. Een significante mismatch tussen de impedantie van de antenne (die gerelateerd is aan spanning en stroom aan de ingang) en de impedantie van de spanningsbron die de antenne aandrijft, resulteert in een slechte energieoverdracht.

Een goed ontworpen impedantieaanpassingscircuit minimaliseert de VSWR en de daaruit voortvloeiende vermogensverliezen door de impedantie van de vermogensbronnen van de zender af te stemmen op die van de antenne. De typische impedantie is 50 ohm (Ω) voor een IoT-product met laag vermogen.

De positie van de antenne is ook van grote invloed op het zendvermogen en de ontvangstgevoeligheid van het eindproduct. De ontwerprichtlijnen adviseren dat een interne antenne wordt geplaatst aan de bovenkant van het IoT-apparaat op de rand van de printplaat en zo ver mogelijk van andere componenten die tijdens gebruik elektromagnetische interferentie (EMI) kunnen genereren. Impedantie-aanpassingscomponenten vormen een uitzondering, omdat deze noodzakelijkerwijs dicht bij de antenne zitten. De eilandjes en sporen van de printplaat die de antenne met de rest van het circuit verbinden, mogen de enige koperen geleiders zijn in een gedefinieerde vrije ruimte (afbeelding 3).

Afbeelding 3: Een op een printplaat gemonteerde antenne moet dicht bij de rand van de printplaat worden geplaatst. De antenne moet ook uit de buurt van andere componenten worden geplaatst (behalve die voor het impedantieaanpassingscircuit) door een vrije ruimte in te bouwen. (Bron afbeelding: Amphenol)

(Raadpleeg voor meer informatie over richtlijnen voor antenneontwerpen "How to Use Multiband Embedded Antennas to Save Space, Complexity, and Cost in IoT Designs” [Gebruik van multiband embedded antennes om ruimte, complexiteit en kosten te besparen in IoT-ontwerpen]).

Soorten antenne

Het specificeren van de antenne is een cruciaal onderdeel van het ontwerpproces van IoT-apparaten. De antenne moet geoptimaliseerd zijn voor de RF-band van de beoogde draadloze interface, bijvoorbeeld NB-IoT voor meerdere banden tussen 450 megahertz (MHz) en 2200 MHz, LoRa voor 902 tot 928 MHz in Noord-Amerika, Wi-Fi voor 2,4 gigahertz (GHz) en 5 GHz en Bluetooth LE voor 2,4 GHz.

Antennes maken gebruik van verschillende elektrische concepten. Voorbeelden zijn monopool, dipool, lus, omgekeerde F-antenne (IFA) en vlakke omgekeerde-F-antenne (PIFA). Elk van deze is geschikt voor een specifieke toepassing.

Er zijn ook single-ended en differentiële antennes. Het single-ended type is ongebalanceerd, terwijl differentiële antennes gebalanceerd zijn. Single-ended antennes ontvangen of zenden een signaal dat is gerelateerd aan aarde en de karakteristieke ingangsimpedantie is doorgaans 50 Ω. Omdat veel RF-IC’s echter differentiële RF-poorten hebben, is er vaak een transformatienetwerk nodig als een single-ended antenne wordt gebruikt. Dit balun-netwerk transformeert het signaal van gebalanceerd naar ongebalanceerd.

Een differentiële antenne zendt uit met twee complementaire signalen, elk in een eigen geleider. Omdat de antenne gebalanceerd is, is er geen balun nodig als de antenne wordt gebruikt met RF-IC’s met differentiële RF-poorten.

Tot slot zijn er verschillende vormen antennes, zoals printplaat, chip of patch, externe spriet en draad. Afbeelding 4 illustreert enkele voorbeeldtoepassingen.

Afbeelding 4: Er zijn verschillende antennes beschikbaar voor diverse IoT-toepassingen. (Bron afbeelding: Amphenol)

De antenne afstemmen op de toepassing

De toepassing en de vormfactor van het product bepalen de uiteindelijke keuze van de antenne. Als een IoT-product bijvoorbeeld weinig ruimte heeft, kan een antenne direct in het printplaatcircuit worden ingebouwd. Deze antennes zijn een uitstekende keuze voor 2,4GHz-toepassingen zoals Bluetooth LE of Wi-Fi-sensoren in smart home-apparaten, waaronder verlichting, thermostaten en beveiligingssystemen. Ze bieden betrouwbare RF-prestaties in een architectuur met een laag profiel. Toch zijn printplaatantennes lastig om zelf te ontwerpen. Een alternatief is om de printplaatantenne bij een commerciële leverancier te kopen. Daarna kan de antenne op de printplaat worden bevestigd met een zelfklevende achterkant.

Een voorbeeld van een antenne voor printplaten is de ST0224-10-401-A Wi-Fi printspoor RF-antenne van Amphenol. De antenne biedt een omnidirectioneel stralingspatroon in de banden 2,4 tot 2,5 GHz en 5,15 tot 5,85 GHz. De antenne heeft een afmeting van 30 x 10 x 0,2 millimeter (mm) en heeft een impedantie van 50 Ω. De RL is minder dan -10 decibel (dB) voor beide frequentiebereiken en de piekversterking is 2,1 dB ten opzichte van isotroop (dBi) in de 2,4GHz-band en 3,1 dBi in de 5GHz-band. De efficiëntie is respectievelijk 77 en 71% (afbeelding 5).

Afbeelding 5: De ST0224-10-401-A Wi-Fi printspoorantenne is efficiënt in zowel de 2,4GHz- als de 5GHz-band. (Bron afbeelding: Amphenol)

Een andere optie voor IoT-producten met beperkte ruimte is een chipantenne. Geautomatiseerde apparatuur kan deze compacte component rechtstreeks op een printplaat monteren. De antenne is geschikt voor draadloze IoT-toepassingen op basis van Bluetooth LE of Wi-Fi. De belangrijkste voordelen van een chipantenne zijn ruimtebesparing, lagere productiekosten en een vereenvoudigd ontwerpproces.

Zoals hierboven beschreven worden de prestaties van een chipantenne beïnvloed door factoren zoals de lay-out van de printplaat en de omringende componenten, maar de vooruitgang in de antennetechnologie heeft geleid tot zeer efficiënte antennes. Chipantennes zijn geschikt voor verschillende toepassingen, van smartphones en tablets tot slimme thuissystemen en industriële sensoren.

Een voorbeeld hiervan is de ST0147-00-011-A van Amphenol, een 2,4GHz-opbouwchipantenne. De antenne biedt een omnidirectioneel stralingspatroon in de 2,4GHz- tot 2,5GHz-frequentieband (afbeelding 6). De antenne heeft een afmeting van 3,05 x 1,6 x 0,55 mm en een impedantie van 50 Ω. De RL is minder dan -7 dB, de piekversterking is 3,7 dBi en de gemiddelde efficiëntie is 80%.

Afbeelding 6: De ST0147-00-011-A opbouwchipantenne is compact en vertoont een omnidirectioneel stralingspatroon in het XY-vlak. (Bron afbeelding: Amphenol)

Net als printplaatantennes zijn patchantennes compact en kunnen ze direct op de printplaat worden bevestigd. Een typische toepassing is een antenne voor een asset tracker of andere apparaten met GNSS-functionaliteit (Global Navigation Satellite System). GNSS-patchantennes bestaan uit een patchelement op een diëlektrisch substraat. De hoge efficiëntie zorgt ervoor dat de antenne zwakke GNSS-signalen van meerdere satellieten oppikt.

Een voorbeeld is de ST0543-00-N04-U passieve GNSS-patchantenne van Amphenol voor gebruik in de 1,575GHz- en 1,602GHz-frequentieband. De antenne heeft een afmeting van 18 x 18 x 4 mm en een impedantie van 50 Ω. De RL is minder dan -10 dB voor beide frequentiebereiken en de piekversterking is -0,5 dBi in de 1,575GHz-band en 1,0 dBi in de 1,602GHz-band. De efficiëntie is respectievelijk 80 en 82%.

Externe sprietantennes, zoals de antenne op een Wi-Fi AP, worden buiten IoT-apparaten gemonteerd om de werking van de radio te optimaliseren. Een externe sprietantenne vergroot het signaalbereik, verbetert de signaalkwaliteit en overwint obstakels of interferentie. Ze zijn handig in omgevingen met zwakke of geblokkeerde signalen, zoals signalen die worden gedempt door muren, plafonds en meubels in huis. Er zijn rechte en draaibare sprietontwerpen verkrijgbaar, elk met standaard RF-interfaceaansluitingen zoals SMA, RP-SMA en N-type.

Een voorbeeld hiervan is de ST0226-30-002-A 2,4 en 5 GHz SMA RF-sprietantenne van Amphenol. De antenne is een goede oplossing voor Wi-Fi-AP’s en set-topboxen (STB’s). De antenne biedt een omnidirectioneel stralingspatroon in de frequentiebanden 2,4 tot 2,5 GHz en 5,15 tot 5,85 GHz. De antenne heeft een afmeting van 88 x 7,9 mm in diameter en een impedantie van 50 Ω. De RL is minder dan -10 dB voor beide frequentiebereiken en de piekversterking is 3,0 dBi in de 2,4 GHz-band en 3,4 dBi in de 5 GHz-band. De efficiëntie is respectievelijk 86 en 75%. De antenne is verkrijgbaar met een SMA- of RP-SMA-connector (afbeelding 7).

Afbeelding 7: De ST0226-30-002-A externe sprietantenne voor Wi-Fi AP’s is verkrijgbaar met een SMA- of RP-SMA-connector. (Bron afbeelding: Amphenol)

Spiraaldraadantennes zijn een goedkope en eenvoudige optie voor sub-GHz-toepassingen zoals LoRa IoT-apparaten die werken in de 868MHz-frequentieband. De antennes worden meestal rechtstreeks op de printplaat gesoldeerd en leveren goede prestaties. Enkele nadelen zijn de omvang, vooral bij lage frequenties, en de relatief lage efficiëntie in vergelijking met sommige andere antennes.

Een voorbeeld hiervan is de ST0686-10-N01-U 862 MHz RF-antenne van Amphenol (afbeelding 8). Deze spiraaldraadantenne werkt in de frequentieband 862 tot 874 MHz en heeft een impedantie van 50 Ω. De antenne is voorzien van soldeer-doorvoermontage met een maximale hoogte van 38,8 mm. De antenne heeft een RL van minder dan -9,5 dB, een piekversterking van 2,5 dBi en een gemiddelde efficiëntie van 58%.

Afbeelding 8: De ST0686-10-N01-U spiraaldraadantenne is een goede optie voor LoRa IoT-toepassingen. (Bron afbeelding: Amphenol)

Conclusie

De radioprestaties van draadloze IoT-apparaten zijn afhankelijk van de antennekeuze. Daarom moeten ontwerpers zorgvuldig een antenne kiezen die zo goed mogelijk aansluit bij de toepassing uit een groot aantal antenneontwerpen van leveranciers zoals Amphenol. Gegevensbladen zijn van cruciaal belang tijdens de selectie, maar het volgen van gevestigde ontwerprichtlijnen garandeert de beste draadloze prestaties.