Överväganden för jordplan vid optimering av antennens prestanda i kompakta IoT-enheter

I IoT-enheternas värld där komponenterna blir mindre och mindre, är mobilantenner viktiga komponenter som underlättar anslutning och kommunikation. Det finns dock utmaningar med att integrera effektiva mobilantenner i små enheter. En av dessa utmaningar som behöver stort fokus är styrning av jordplanet — en avgörande komponent för antennens prestanda. I den här artikeln undersöker vi den intrikata och fascinerande världen för mobilantenner till små Internet of Things-enheter, med betoning på betydelsen av jordplanet.

Betydelsen av mobilantenner i IoT-enheter

Mobilantenner gör att IoT-enheter kan sända och ta emot signaler i mobilnätverket, och ger därmed en gateway som kommunicerar data över stora avstånd. Denna förmåga är avgörande för tillämpningar där implementering av små enheter med tillförlitliga anslutningar är avgörande, till exempel smart stadsinfrastruktur, hälsoövervakning och fjärravkänning.

Vad är jordplan och varför är de viktiga?

Ett jordplan är en ledande yta som fungerar som ett reflekterande lager för antennens utstrålande element. Det bidrar till att forma antennens returströmkrets, som är avgörande för utformningen av strålningsmönstret. Jordplanet fungerar i princip som den “andra halvan” av en dipolantenn, och är avgörande för balanserad drift. I ett antennsystem påverkar jordplanet strålmönstret, bandbredden, impedansen och systemets övergripande effektivitet genom att forma och rikta signalen. Vid utformning av små enheter är det vanligt att ignorera den här komponenten i antennsystemet, vilket kan resultera i dålig prestanda och kommunikationsproblem. Ett korrekt utformat jordplan säkerställer att antennsystemets resonans håller önskade frekvenser, vilket ger effektiv kommunikation.

Jordplanens betydelse för mobilantenner

Ett jordplan är viktigt för mobilantenner av två huvudorsaker:

Impedansmatchning: för att garantera optimal strömöverföring måste mobilantennernas impedans vara matchad med överföringsledningens, som normalt sett är 50 ohm. För att bibehålla impedansmatchningen måste jordplanets konstruktion ta hänsyn till dess potential att ändra antennens impedans.

Styrning av strålningsmönster: ett väl utformat jordplan hjälper till att skapa ett konsekvent och riktat strålningsmönster, vilket är avgörande för mobilantenner som måste upprätthålla en anslutning med en nätverksmast, som ofta finns flera kilometer bort.

Så här optimerar du jordplan i kompakta IoT-enheter

Kompakta IoT-enheter innebär unika utmaningar på grund av det begränsade utrymmet för antenninstallationen. Jordplan har ofta en kvartsvåglängd av signalen vid den lägsta driftfrekvensen, vilket innebär att de vanligtvis är för stora för att få plats inuti dessa små enheter. Ett begränsat jordplan kan orsaka en rad problem, inklusive:

• Minskad antenneffektivitet och förstärkning
• Felmatchad impedans.
• Störning av strålningsmönstret, vilket ger otillförlitlig anslutning.

Att utforma mobilantenner för kompakta IoT-enheter kräver innovativa metoder för att hantera de begränsningar som kan finnas för jordplan. Här följer några sätt att övervinna dessa utmaningar: 

• Användning av kretskort: att använda ett kretskort (PCB) som del av jordplanet är en vanlig teknik i kompakta enheter. Kretskortet måste utformas omsorgsfullt så att det finns tillräckligt med plats för jordplanet, samtidigt som hänsyn tas till placeringen av de andra komponenterna.

• Innovativ utformning/typer av antenner: små trådlösa enheter använder ofta antenner som plana inverterade F-antenner (PIFA), på grund av deras låga profil och kapacitet att användas med ett mindre jordplan. Den här typen av antenner har börjat bli mycket vanliga på mobiltelefonmarknaden. 

• Material med hög dielektrisk hållfasthet: det är möjligt att “krympa” signalens våglängd i mediet genom att använda material med hög dielektrisk konstant, vilket möjliggör användning av ett mindre jordplan utan att kompromissa med prestanda.

• Använda chassit: chassit kan fungera som ett användbart jordplan för prylar med metallhöljen eller ramar. Bärbar teknologi är ett område där den här tekniken kan vara särskilt praktisk, eftersom prylens metallhölje kan ge en tillräcklig yta. 

• Lägga till laddningsspolar: antennen kan göras längre elektriskt utan att öka den fysiska storleken genom att lägga till en laddningsspole i utformningen. Detta ökar antennens effektivitet med ett mindre jordplan genom att låta den resonera vid lägre frekvenser.

• Närfältsresonant parasitism (NFRP): med den här metoden omges antennen av parasitiska element med resonans som på effektivt sätt ökar planets elektriska storlek utan att enhetens fysiska storlek ökar.

• Komponenter för aktiv justering: enheter för aktiv justering som varaktorer eller MEMS-omkopplare kan användas för att modifiera antennens resonansfrekvens och kompensera för antennens mindre jordplan.

Överväganden för att välja antenn till en kompakt IoT-enhet

Tänk på följande designfaktorer för jordplanet när du skapar eller väljer en antenn för små IoT-enheter:

• Storlek och form: även i små enheter bör jordplanet vara så stort som möjligt med hänsyn till konstruktionen, och helst spridas ut i alla riktningar från antennens matningspunkt.

• Material: en utmärkt elektrisk ledare, vanligtvis koppar, bör användas för antennens jordplan.

• Positionering: för att förhindra att justeringen ändras på grund av användarens händer eller omgivande föremål, måste antennen placeras noga med hänsyn till jordplanet.

• Integrering: för att minska problemen med jordplanets prestanda, bör antennerna tas med i designen redan i början av utvecklingsprocessen.

Rekommenderad produkt

Taoglas PCS.55.A mobilantenn

PCS.55.A är en patentsökt kompakt mobilantenn särskilt konstruerad för IoT-enheter med små jordplan. Den kombinerar revolutionerande teknik för antennutformning med Taoglas erfarenheter av antennintegrering för att tillhandahålla bredbandstäckning för både 5G/4G LTE- och GNSS-banden, inklusive de mest krävande 600–700 MHz-banden.

PCS.55.A ger en enkel hyllfärdig lösning för LTE-, CAT-M-, NB-IoT-, och GNSS-tillämpningar och mäter endast 27x10x1,6 mm. Denna kompakta mobilantenn är den perfekta antennen för små IoT-enheter, där kraven på mindre kretskortsdesign i allt högre grad hänger på antennstorleken. Antennen kräver ett extremt litet keep-out-område och behöver betydligt färre matchande komponenter jämfört med de flesta andra kompakta mobilantennerna på marknaden. Detta resulterar en mindre och enklare design, vilket minskar materialbehovet för enheten och skyndar på tiden till marknaden.

Egenskaper

• Världsomspännande produkt – tre olika matchande kretsar kan användas för att ge optimal prestanda baserat på var kunden finns. Optimala komponenter för Nordamerika (NA), Europeiska unionen (EU) och globalt (WW) har fastställts för att göra det möjligt för konstruktörer att enkelt integrera PCS.55.A för att få bästa möjliga prestanda vid alla eventuella implementeringsscenarion. PCS.55.A är enkelt att integrera med SMD-standardtekniker, och de matchande kretsarna för varje implementering (NA, EMEA eller WW) har förenklats till en konfiguration med tre komponenter som möjliggör större flexibilitet på användarsidan. 

• Förenklat integreringspaket: användningen av endast tre matchande komponenter per integrering (till skillnad från upp till 15 på jämförbara antenner) gör att kunden kan använda antennen med en mindre materiallista och mindre ”bortfall” genom matchning av nödvändiga komponenter.

• Mindre keep-out-område:  extremt kompakt keep-out-område gör att antennen kan integreras på små, smala kretskort där utrymmet är begränsat.

Viktiga produktspecifikationer: