Przeciwwaga anteny a optymalizacja wydajności anten w kompaktowych urządzeniach IoT

W sferze urządzeń IoT, w której komponenty stają się coraz mniejsze, anteny komórkowe odgrywają kluczową rolę w zapewnianiu łączności i komunikacji. Jednak umieszczenie wydajnej anteny komórkowej w niewielkim urządzeniu wiąże się z szeregiem wyzwań. Jednym z nich jest konieczność kontrolowania przeciwwagi anteny (zwanej również płaszczyzną uziemienia), która jest kluczowym elementem wpływającym na wydajność anteny. Niniejszy artykuł przybliża skomplikowany świat anten komórkowych przeznaczonych do niewielkich urządzeń Internetu rzeczy, ze szczególnym uwzględnieniem znaczenia czynników związanych z płaszczyzną uziemienia.

Znaczenie anten komórkowych w urządzeniach IoT

Anteny komórkowe pełnią istotną funkcję, umożliwiając urządzeniom IoT przesyłanie i odbieranie sygnałów w sieci komórkowej oraz służąc jako brama do przesyłania danych na duże odległości. Zdolność ta jest szczególnie istotna w przypadku aplikacji, które wymagają wdrożenia małych urządzeń z niezawodną łącznością, w tym inteligentnej infrastruktury miejskiej, monitorowania stanu zdrowia i zdalnego wykrywania.

Czym jest przeciwwaga anteny i dlaczego stanowi ważny element?

Przeciwwaga anteny to powierzchnia przewodząca, która pełni funkcję warstwy odbijającej dla elementu promieniującego anteny. Odgrywa ona kluczową rolę w tworzeniu ścieżki powrotu prądu anteny, co jest istotnym elementem w kształtowaniu charakterystyki promieniowania. Płaszczyzna uziemienia to „druga połowa” anteny dipolowej, która zapewnia jej zrównoważone działanie. W systemie antenowym płaszczyzna uziemienia znacząco wpływa na charakterystykę promieniowania, szerokość pasma, impedancję i ogólną wydajność poprzez kształtowanie i kierowanie sygnału. Niestety, przy projektowaniu małych urządzeń element ten jest często pomijany, co skutkuje gorszą wydajnością i problemami z komunikacją. Dobrze zaprojektowana przeciwwaga anteny jest niezbędna do zapewnienia rezonansu systemu antenowego na pożądanych częstotliwościach, umożliwiając tym samym wydajną komunikację.

Rola przeciwwagi anteny w antenach komórkowych

Przeciwwaga anteny jest niezwykle ważnym elementem anten komórkowych z dwóch głównych powodów:

Dopasowanie impedancji: anteny komórkowe muszą mieć dopasowaną impedancję do linii transmisyjnej, która zwykle wynosi 50 omów, aby zapewnić optymalny transfer mocy. Konstrukcja płaszczyzny uziemienia musi uwzględniać jej potencjał do wpływania na impedancję anteny, aby utrzymać to dopasowanie.

Kontrola charakterystyki promieniowania anteny: odpowiednio zaprojektowana płaszczyzna uziemienia przyczynia się do stworzenia spójnej i ukierunkowanej charakterystyki promieniowania. Jest to szczególnie istotne w przypadku anten komórkowych, które wymagają stabilnego połączenia z wieżą sieciową, często oddaloną o kilka kilometrów.

Jak zoptymalizować przeciwwagę anteny w kompaktowych urządzeniach IoT?

Kompaktowe urządzenia IoT stanowią szczególne wyzwanie projektowe ze względu na ograniczoną przestrzeń do instalacji anteny. Przeciwwaga anteny, zazwyczaj o długości ćwierć fali sygnału przy najniższej częstotliwości roboczej, jest często zbyt duża, aby zmieścić się w tych niewielkich urządzeniach. Uszkodzona przeciwwaga anteny może być powodem różnych problemów, takich jak:

• redukcja wydajności i zysku anteny,
• niedopasowanie impedancji,
• zniekształcona charakterystyka promieniowania, powodująca zakłócenia łączności.

Projektowanie anten komórkowych na potrzeby kompaktowych urządzeń IoT wymaga innowacyjnych podejść umożliwiających przezwyciężenie ograniczeń związanych z przeciwwagą anteny. Oto kilka strategii pozwalających sprostać tym wyzwaniom:

• Wykorzystanie PCB: wykorzystanie płytki drukowanej (PCB) jako części płaszczyzny uziemienia jest powszechną techniką stosowaną w kompaktowych urządzeniach. Aby zapewnić wystarczającą ilość miejsca na płaszczyznę uziemienia, przy jednoczesnym uwzględnieniu lokalizacji innych komponentów, konieczne jest staranne zaprojektowanie układu PCB.

• Innowacyjne konstrukcje i rodzaje anten: małe urządzenia bezprzewodowe są często wyposażone w anteny planarne typu „odwrócone F” (PIFA) ze względu na ich niski profil i możliwość pracy z mniejszą płaszczyzną uziemienia. Tego typu anteny zyskują coraz większą popularność na rynku telefonów komórkowych. 

• Materiały o wysokiej stałej dielektrycznej: zastosowanie materiałów o wysokiej stałej dielektrycznej pozwala na „skrócenie” długości fali sygnału, umożliwiając zastosowanie mniejszej płaszczyzny uziemienia bez pogorszenia wydajności.

• Zastosowanie obudowy: w przypadku urządzeń z metalowymi obudowami lub ramami, obudowa może funkcjonować jako płaszczyzna uziemienia. Rozwiązanie to jest szczególnie korzystne w przypadku technologii ubieralnych, gdzie metalowy korpus urządzenia zapewnia wystarczającą powierzchnię. 

• Dodatek cewek obciążających: włączenie cewki obciążającej do projektu anteny pozwala na stworzenie anteny o wydłużonym zasięgu elektrycznym bez konieczności powiększania jej pod względem fizycznym. Zwiększa to wydajność anteny w mniejszej płaszczyźnie uziemienia, umożliwiając rezonans przy niższych częstotliwościach.

• Rezonatory bliskiego pola (ang. near field resonant parasitics, NFRP): otoczenie anteny elementami rezonansowymi skutecznie zwiększa elektryczny rozmiar płaszczyzny uziemienia bez powiększania samego urządzenia.

• Aktywne elementy dostrajające: aktywne urządzenia dostrajające, takie jak waraktory lub przełączniki MEMS, mogą modyfikować częstotliwość rezonansową anteny, kompensując mniejszą płaszczyznę uziemienia, a tym samym zwiększając ogólną wydajność.

Wybór anteny do kompaktowego urządzenia IoT

Tworząc lub wybierając antenę na potrzeby małego urządzenia IoT, należy wziąć pod uwagę następujące czynniki związane z konstrukcją przeciwwagi anteny:

• Rozmiar i kształt: nawet przy ograniczeniach związanych z małymi urządzeniami, płaszczyzna uziemienia powinna być tak duża, jak pozwala na to projekt, najlepiej rozciągając się we wszystkich kierunkach od punktu zasilania anteny.

• Materiał: płaszczyzna uziemienia anteny powinna być wykonana z wysokiej jakości przewodnika elektrycznego, zazwyczaj miedzi, aby zapewnić optymalną wydajność.

• Umiejscowienie: antenę należy ustawić odpowiednio w stosunku do płaszczyzny uziemienia, aby uniknąć efektów rozstrojenia spowodowanych przez dłoń użytkownika lub otaczające przedmioty.

• Integracja: anteny powinny zostać włączone do projektu na wczesnym etapie procesu rozwoju, aby ograniczyć wszelkie problemy związane z wydajnością płaszczyzny uziemienia.

Polecany produkt

Antena komórkowa Taoglas PCS.55.A

PCS.55.A to innowacyjna i zgłoszona do opatentowania kompaktowa antena komórkowa, stworzona specjalnie z myślą o urządzeniach IoT o ograniczonej płaszczyźnie uziemienia. Dzięki połączeniu przełomowych technik projektowania anten z rozległym doświadczeniem inżynierów Taoglas w zakresie integracji anten rozwiązanie to oferuje szeroki zasięg w pasmach 5G/4G LTE i GNSS, w tym w wymagających pasmach 600-700 MHz.

PCS.55.A to gotowe rozwiązanie do zastosowań LTE, CAT-M, NB-IoT i GNSS. Ta kompaktowa antena komórkowa o wymiarach 27 × 10 × 1,6 mm to idealne rozwiązanie do małych urządzeń IoT, w których projekty PCB stają się coraz bardziej zależne od rozmiaru anteny. Konstrukcja tej anteny wymaga wyjątkowo małego obszaru ochronnego i znacznie mniejszej liczby elementów dopasowujących w porównaniu z większością innych kompaktowych anten komórkowych dostępnych na rynku. Rezultatem jest mniejsza i mniej złożona konstrukcja, redukująca zestawienie materiałowe urządzenia, a także pozwalająca przyspieszyć czas wprowadzenia produktu na rynek.

Parametry

• Produkt przeznaczony do użytku na całym świecie: możliwość zastosowania trzech różnych obwodów dopasowujących w celu zapewnienia optymalnej wydajności w zależności od geolokalizacji klienta. Optymalne komponenty przeznaczone na rynek Ameryki Północnej (NA), Unii Europejskiej (EU) i całego świata (WW) zostały opracowane, aby umożliwić projektantom łatwą integrację PCS.55.A w celu uzyskania najlepszej wydajności w zależności od konkretnego scenariusza wdrożenia. Antena PCS.55.A jest łatwa do zintegrowania przy użyciu standardowych technologii montażowych SMD, a obwody dopasowujące właściwe dla każdego wdrożenia (NA, EMEA lub WW) zostały uproszczone do konfiguracji składającej się z trzech komponentów, co zapewnia użytkownikom większą elastyczność. 

• Uproszczony pakiet integracyjny: dzięki zastosowaniu tylko trzech komponentów dopasowujących w każdej integracji (w przeciwieństwie do nawet piętnastu w porównywalnych antenach), klient może korzystać z anteny z mniejszym zestawem materiałów i mniejszą liczbą wymaganych „stratnych” komponentów dopasowujących.

• Mały obszar ochronny: wyjątkowo kompaktowy obszar ochronny umożliwia integrację anteny na małych, wąskich płytkach drukowanych, gdzie miejsce ma ogromne znaczenie.

Specyfikacja produktu: