Bruk av jordplan for bedre antenneytelse i IoT-enheter

I en verden hvor komponentene til enhetene vi bruker stadig bli mindre, har mobilantenner blitt viktige for tilkobling og kommunikasjon. Det er imidlertid ikke helt uproblematisk å bygge en effektiv mobilantenne i en liten enhet. Jordplanet er en viktig komponent for antennes ytelse og krever mye fokus. Denne artikkelen ser vi nærmere på mobilantenner i IoT-enheter, hvor vi legger ekstra vekt på jordplanet.

Mobilantenner i IoT-enheter

Mobilantenner gjør det mulig for IoT-enheter å sende og motta signaler via mobilnettet, noe som gjør det mulig å kommunisere data over store avstander. Dette er avgjørende for applikasjoner der det er viktig med pålitelig tilkobling, for eksempel i smart byinfrastruktur, helseovervåking og fjernmåling.

Hva er jordplan og hvorfor er de viktige?

Et jordplan er en ledende overflate som fungerer som et reflekterende lag mot det strålende elementet i en antenne. Den danner antennens strømreturbane, noe som igjen er avgjørende for dannelsen av et strålingsmønster. Jordplanet er “den andre halvdelen” av en dipolantenne, og trengs for at man skal oppnå balansert drift. I et antennesystem påvirker jordplanet systemets strålingsmønster, båndbredde, impedans og totale effektivitet ved å forme og lede signalet. Når man utvikler små enheter, ser man ofte bort fra denne komponenten i antennesystemet, noe som kan føre til dårlig ytelse og kommunikasjonsproblemer. Et riktig utformet jordplan sørger for at antennesystemet har resonans ved ønskede frekvenser, noe man trenger for effektiv kommunikasjon.

Jordplanets rolle i mobilantenner

Et jordplan er viktige for mobilantenner av to grunner:

Impedanstilpasning: For å sikre optimal kraftoverføring må mobilantenner ha en impedans som er tilpasset overføringslinjen, som normalt er 50 ohm. For at impedanstilpasningen skal opprettholdes, må jordplanet ta hensyn til at det kan endre antennens impedans.

Kontroll av strålingsmønsteret: Et godt utformet jordplan bidrar til å skape et konsistent og rettet strålingsmønster, noe som er avgjørende for mobilantenner som må opprettholde en forbindelse med en nettverksmast, som ofte befinner seg flere kilometer unna.

Hvordan optimalisere jordplanet i kompakte IoT-enheter

Kompakte IoT-enheter byr på unike designutfordringer på grunn av begrenset plass til antenneinstallasjon. Jordplanene er ofte en kvart bølgelengde av signalet ved den laveste driftsfrekvensen, noe som betyr at de vanligvis er for store til å få plass i små enheter. Et svekket jordplan kan føre til en rekke problemer, blant annet:

• Redusert antenneeffektivitet og vinning (gain).
• Ulikheter i impedans.
• Et forvrengt strålingsmønster som fører til upålitelige tilkoblinger.

Design av mobilantenner for kompakte IoT-enheter krever innovative tilnærminger for å håndtere jordplanets begrensninger. Her er noen måter å løse utfordringene på:

• Bruk av kretskort: Bruk av kretskort som del av jordplanet er vanlig i kompakte enheter. Man må være nøye med å avsette nok plass til jordplanet og samtidig ta hensyn til plasseringen av andre komponenter.

• Innovative antennedesign/-typer: Små trådløse enheter bruker ofte antenner som PIFA-antenner (Planar Inverted-F Antenna) på grunn av den lave profilen og fordi man kan bruke et mindre jordplan. Denne typen antenner er i ferd med å bli svært vanlig i mobiltelefoner. 

• Materialer med høy dielektrisk konstant: Det er mulig å “krympe” signalets bølgelengde i mediet ved å bruke materialer med høy dielektrisk konstant, noe som gjør det mulig å bruke et mindre jordplan uten at det går ut over ytelsen.

• Bruk av chassis: Chassiset kan være et nyttig jordplan for enheter med metallkabinett eller rammer. Kroppsbåren teknologi er et av de områdene der denne teknikken kan være spesielt nyttig, fordi metallkroppen på innretningen har en stor nok overflate. 

• Legge til lastspoler: Ved å legge til en lastspole kan antennen elektrisk forlenges uten å bli fysisk større. I et mindre jordplan øker dette antennes effektivitet ved å resonnere ved lavere frekvenser.

• NFRP (Near-field resonant parasitics): Med denne metoden er antennen omgitt av parasittiske elementer som resonnerer og effektivt øker jordplanets elektriske størrelse uten å øke enhetens faktiske størrelse.

• Aktive innstillingskomponenter: Varaktorer eller MEMS-brytere kan brukes til å endre antennens resonansfrekvens for å kompensere for et mindre jordplan.

Hva du bør tenke på når du skal velge antenne til en kompakt IoT-enhet

Ta hensyn til følgende faktorer når du lager eller velger en antenne for en liten IoT-enhet:

• Størrelse og form: Selv i små enheter bør jordplanet være så stort som designet tillater, og helst strekke seg ut i alle retninger fra antennematingspunktet.

• Materiale: En utmerket elektrisk leder, vanligvis kobber, bør danne antennens jordplan.

• Plassering: For å unngå forvrengningseffekter (brukerens hånd eller nærliggende gjenstander) må antennen plasseres nøye i forhold til jordplanet.

• Integrering: Antenner bør tidlig integreres i utviklingsprosessen for å redusere eventuelle problemer med jordplanets ytelse.

Anbefalte produkter

Mobilantenne, Taoglas PCS.55.A

PCS.55.A er en kompakt mobilantenne (patentsøknad pågår) som er spesielt utviklet for IoT-enheter med små jordplan. Den kombinerer revolusjonerende antennedesign med Taoglas’ erfaring innen antenneintegrasjon for å gi en løsning for bredbåndsdekning av både 5G/4G LTE- og GNSS-båndene, inkludert de mest utfordrende 600-700 MHz-båndene.

PCS.55.A er en enkel hyllevareløsning for LTE-, CAT-M-, NB-IoT- og GNSS-applikasjoner og er bare 27 x 10 x 1,6 mm. Denne kompakte mobilantennen er for små IoT-enheter, der kravene til mindre kretskort blir mer og mer avhengig av antennestørrelsen. Denne antennen krever et ekstremt lite sperreområde og langt færre tilpasningskomponenter enn lignende antenner på markedet. Dette gir et mindre og mindre komplekst design, noe som reduserer materialkostnadene og gjør at man raskere kan introdusere produktet på markedet.

Egenskaper

• Produkt i bruk over hele verden– Tre ulike matchingskretser kan benyttes for å gi optimal ytelse basert på kundens geografiske plassering. De optimale komponentene for Nord-Amerika (NA), EU og over hele verden (WW) er bestemt slik at utviklere enkelt kan integrere PCS.55.A for å oppnå best mulig ytelse for ethvert distribusjonsscenario. PCS.55.A integreres ved hjelp av SMD-teknologi, og de matchende kretsene for hver distribusjon (NA, EMEA eller WW) er forenklet til en konfigurasjon med tre komponenter for å gi større fleksibilitet for brukere. 

• Forenklet integrasjonspakke: Bruken av 3 tilpasningskomponenter per integrasjon (i motsetning til opptil 15 på sammenlignbare antenner) gjør at kunden kan bruke antennen med en mindre enhet med færre “tapsbringende” tilpasningskomponenter.

• Lite utsparingsområde: Ekstremt kompakt utsparingsområde gjør det mulig å integrere antennen på små kretskort der det er trangt om plassen.

Viktige produktspesifikasjoner