אופטימיזציה של שילוב אנטנה בהתקני ISM LPWA‏

ההתרחבות הנמשכת של האינטרנט-של-דברים (IoT) בהתקנים תעשייתיים, רפואיים ולצרכנים, והופעת ערים ובניינים חכמים, דוחפות את השימוש, הגדל במהירות, של רשתות תקשורת מרחביות הספק-נמוך (low power wide area ‏(LPWA)) אלחוטיות. זה נכון במיוחד בפסי התדרים תדר רדיו (RF) התעשייתיים, המדעיים והרפואיים (industrial, scientific, and medical‏ (ISM)) של‏ ‎915 MHz בארה"ב,868 ו-MHz‏ 169‏ באירופה ו-433‎ MHz‏ באסיה, שתומכים בפרוטוקולים אלחוטיים כגון LoRa‏, Neul,‏ Sigfox,‏ Zigbee‏ ו-Z-Wave.

התקני LPWA‏ ממשיכים להתכווץ וזקוקים לאנטנות קומפקטיות ולא-יקרות עם ביצועים מעולים. סוגיות משטח הארקה (ground plane) של אנטנה יכולות להיות מטרידות במיוחד בפסי תדרים ISM ‏868 ו-‎915 MHz. ניתן לטפל בהן על ידי שימוש במעגלים נוספים, אינטגרציית התקן מוגדלת וכוונון תדר מדויק יותר, פעולות שיכולות להאריך זמן-פיתוח ולהגדיל עלויות. מתכננים זקוקים לאנטנות המקטינות למינימום דאגות משטח הארקה. נוסף לכך, לעיתים קרובות התקני LPWA‏ הם מוזני-סוללה ודורשים נצילות אנרגיה מקסימלית. הבחירה והאינטגרציה של האנטנה הן הבטים קריטיים של תכנון יעיל. פתרון אנטנה פחות מאופטימלי יכול לקצר חיי סוללה ולגרום לביצועים כוללים ירודים של מערכת.

מאזן ערוץ (link budget) ממוטב הוא מפתח אחד לממשק תקשורת אלחוטי‏ אמין ויעיל. לבחירת ואינטגרציית אנטנה יש השפעה משמעותית על מאזן הערוץ. אך תכנון או בחירת אנטנה נצילה בעלת ביצועים-עיליים הנותנת מענה לדאגות מאזן ערוץ ומשטח הארקה הוא תהליך מורכב. מפרטי אנטנה המשפיעים על מאזן ערוץ כוללים עכבה, הפסדי החזרה, יחס גלים-עומדים מתח, הגבר, תבנית קרינה, ועוד. זיהוי אנטנות ביצועים-עיליים‏, קומפקטיות וקלות-שילוב המקטינות למינימום סוגיות משטח הארקה יכול לקצר משמעותית זמן הנדסה ולשפר ביצועים כוללים של מערכת.

מאמר זה מתאר דגם מאזן ערוץ בסיסי,‏ סוקר מפרטי אנטנה עיקריים המשפיעים על מאזן הערוץ, ומציג דוגמאות של אנטנות מבית Molex‏ שיכולות להתגבר על סוגיות משטח הארקה ולסייע במיטוב מאזני ערוץ בהתקני LPWA.

מאזן ערוץ בסיסי

מאזן ערוץ במערכת‏ אלחוטית מודד את אנרגיית ה-RF האפקטיבית המגיעה למקלט. המשוואה מתחילה בהספק המשודר בדציבל-מטר (dBm‏), מוסיפה כל הגבר בדציבלים (dB‏), מפחיתה הפסדים, גם כן ב-dB‏, ומגיעה להספק הנקלט ב-dBm‏. בתכנון פרקטי, ישנם מספר תורמים לרווחים והפסדים.

צלילה עמוקה יותר במאזן ערוץ

ביצועי אנטנה הם הגורם היחידי לרווחים והפסדים במאזן ערוץ. נצילות אנטנה, הגבר ותבנית קרינה הם שלושה הבטים חשובים של ביצועי אנטנה, והם נמדדים לעיתים קרובות תוך שימוש בתא‏ דרך-האוויר (OTA‏) (איור 1‏). גורמים נוספים שיכולים להשפיע על מאזן ערוץ הם הפסדי החזרה (פרמטר ה-S11) ויחס גלים-עומדים מתח (VSWR).

איור 1‏: נצילות אנטנה, הגבר ותבנית קרינה נמדדים תוך שימוש בתא‏ OTA‏. (DUT בתמונה מתייחס להתקן נבדק) (מקור תמונה: Molex‏)

נצילות אנטנה קובעת את כושר הקרינה (emissivity) שלה. לעיתים קרובות משתמשים בנצילות ממוצעת, אך נצילות אינה מספר יחיד. היא עקומה שיכולה להיות שטוחה פחות או יותר, תלוי באנטנה הספציפית המדוברת (איור 2‏). לעיתים קרובות אנטנה עם עקומת נצילות שטוחה יותר תהיה בעלת נצילות מקסימלית נמוכה יותר מאנטנה עם עקומת נצילות בעלת שיאים.

איור 2‏: עקומות נצילות אנטנה יכולות להשתנות במידה רבה: לאנטנה בצד שמאל יש עקומת נצילות‏ שטוחה יותר, אך לעקומה בצד ימין יש נצילות שיא גבוהה יותר בערך ב-10% ב-915‎ MHz. (מקור תמונה: Molex)

בדומה לנצילות, ניתן למדוד הגבר אנטנה כממוצע או ערך שיא/מקסימלי. בתדר נתון, הגבר ממוצע נמדד בכל הזוויות בחלל תלת-ממדי, בעוד ההגבר המקסימלי הוא נקודת עבודה בודדת. באופן כללי, ככל שההגבר הממוצע גבוה יותר, טוב יותר.

תבנית הקרינה של‏ אנטנה היא גורם‏ חשוב בקביעת ההגבר. אנטנה‏ תיאורטית המקרינה את אותה האנרגיה בכל הכיוונים נקראת מקרן איזוטרופי (isotropic) והיא בעלת הגבר של ‎0 dB‏ (יחידה). אנטנות אמיתיות, אפילו תכנים הנקראים כל-כיווניים, הן בעלות קרינה לא-איזוטרופית ויכולות להיות יותר או פחות כיווניות כפי שנמדדות במישורי תלת-ממד (איור 3‏). אנטנה עם‏ הגבר של 3‎ dB‏ היא נצילה פי שניים בכיוון נתון כמקרן איזוטרופי. זה מכפיל את הספק המשדר, או רגישות המקלט, באותו כיוון מסוים.

איור 3‏: תבניות קרינה הן שונות עבור תכני אנטנה שונים ויכולות להיות חשובות בחישובי מאזן ערוץ. שתי אנטנות אלו מוגדרות עם תבניות קרינה כל-כיווניות. (מקור תמונה: Molex)

תכן אנטנה והסביבה הסובבת משפיעים על תבנית הקרינה. מדידות גיליון נתונים אופיניות משתמשות בסביבת חלל ריק ללא הפרעות סובבות. במימושים אקטואליים, הגבר השיא ייקטן ב-1 עד 2 דציבלים ביחס לאיזוטרופי (dBi‏) מאחר ותבנית הקרינה תשתנה בגלל הרכיבים הסובבים.

הפסד החזרה (S11) ויחס גלים עומדים מתח (VSWR) הם מדידות קשורות של כמות האנרגיה המוחזרת מהאנטנה חזרה אל מעגל ה-RF, וערכים קטנים יותר הם טובים יותר (איור 4‏). S11 ≤ -6dB או VSWR ≤ 3‏ בדרך כלל נחשבים להיות רמות ביצוע מינימליות מתקבלות. אם S11 = 0 dB‏‏, אז כל ההספק מוחזר, וכל הספק לא מוקרן. או, אם S11 = -10 dB‏, כשהספק של ‎3 dB‏ מסופק לאנטנה, ההספק המוחזר הוא 7‎ dB-.‏ האנטנה משתמשת בשארית ההספק.

איור 4‏: הפסדי ההחזרה של האנטנה עם נצילות-גבוהה (ימין) הם בערך 14‎ dB-‏ ב-‎915 MHz‏, בעוד הפסדי ההחזרה של האנטנה עם נצילות-נמוכה, בעלת עקומת הנצילות השטוחה יותר, הם בערך 10‎ dB-‏ ב-‏915‎ MHz‏. (מקור תמונה: Molex)

VSWR היא‏ פונקציה של מקדם ההחזרה. כמו הפסדי החזרה, VSWR‏ קטן יותר מצביע על אנטנה‏ טובה יותר. הערך המינימלי של VSWR הוא 1.0, בו אין החזרה של כל הספק מהאנטנה. ניתן להשתמש בתאום עכבות כדי להקטין למינימום את ה-S11 וה-VSWR. תאום עכבות כרוך בהתאמת קו התמסורת בין האנטנה ומעגל ה-RF כדי לשפר את העברת האנרגיה המקסימלית. חוסר-תאום עכבות גורם לאי-קבלה של חלק מהספק ה-RF על ידי האנטנה. התוצאה של תאום מדויק בין עכבת קו התמסורת ועכבת האנטנה היא שכל הספק ה-RF מתקבל באנטנה.

העכבה של אנטנות מסוימות היא של ‎50 Ω‏ ולא צריכות רשת תאום. מרבית האנטנות דורשות רשת תאום עכבות‏ בקו התמסורת כדי למטב את ביצועי האנטנה. רשתות תאום בדרך כלל נדרשות עם אנטנות התומכות בפסי-תדר מרובים. רשת תאום יכולה להיות מורכבת מצרופים שונים של קבלים, משרנים או נגדים כשנחוצים.

שיפור ביצועי אנטנה

אנטנה‏ בסיסית מורכבת ממוליך באורך נתון, אך ניתן להוסיף אלמנטים נוספים כדי לשפר ביצועי אנטנה. דוגמה אחת היא טכנולוגיית האנטנה ™MobliquA מבית Molex‏ הכוללת טכנולוגיות הגדלת רוחב-פס (איור 5‏). טכנולוגיית MobliquA מתוכננת לשפר את תחום התדרים בו הפסדי ההחזרה מתקבלים על הדעת, תחום הנקרא בדרך כלל ‘רוחב-פס העכבה’. טכנולוגיה זו יכולה לשפר את רוחב-פס העכבה ב-60 עד 70 אחוז מבלי להתפשר על נצילות הקרינה או להגדיל את גודל האנטנה. אנטנת ISM מתוכננת עבור MHz‏ 868‏ ו-MHz‏ 915‏ תוך שימוש בטכנולוגיית MobliquA יכולה להיות בעלת נפח קטן ב-75% מתכנים קונבנציונלים ולמנוע את הצורך במעגלים יקרים וכוונון תדר הדרושים כדי לטפל בסוגיות תלות במשטח הארקה.

איור 5‏: טכנולוגיית MobliquA של Molex מתוכננת לשפר רוחב-פס עכבה ולספק דרגה גבוהה של חסינות בנוגע להכנסת אובייקטים ממתכת בנפח האנטנה. (מקור תמונה: Molex)

טכנולוגיית MobliquA מאפשרת את השימוש בחלקים מוארקים או מופרדים RF, כמו בתי מחבר מוארקים. היא מספקת חסינות טובה מהכנסת חלקי מתכת בנפח האנטנה. טכניקות ההזנה הייחודיות שלה בשילוב עם הארקה ישירה של אלמנטים של האנטנה מספקות הגנה משופרת מפני פריקה אלקטרוסטטית (ESD) עבור הקצה הקדמי RF.

אינטגרציית אנטנה

בעוד כל המפרטים החשמליים שנדונו לעיל הם היבטים חשובים של אינטגרציית אנטנה, קיימת גם הסוגיה של חיבור מכני ואינטגרציה של האנטנה לתוך המערכת. ישנן מספר אפשרויות. לדוגמה, אנטנות מסוימות מתוכננות להיות מולחמות לתוך המערכת, ואחרות כוללות כבל‏ קואקס ומחבר מצורף למערכת. שני הקטעים הבאים מציגים חלק מהמפרטים עבור כל אחת מהאנטנות הכל-כיווניות.

אנטנת ISM גמישה עם קואקס ומחבר

עבור יישומים הזקוקים לאנטנת ISM שני-פסי-תדרים‏ 868/915‎ MHz, מתכננים יכולים לפנות לדגם 2111400100 מבית Molex‏ (איור 6‏). גודל אנטנת מונופול זו הוא 38 x‏ ‏10 x‏ ‏0.1‏ מילימטר, היא עשויה מחומר ‏פולימר גמיש, ויש לה כבל קואקס באורך‏ 100 מ"מ עם קוטר חיצוני של 1.13 מ"מ ומחבר‏ U.FL התואם MHF. היא מסוג ‘קלף-והדבק’ ותתחבר לכל משטח לא-מתכתי. היא יכולה לטפל בהספק RF של ‎2 W ותחום טמפרטורות העבודה שלה הוא 40- עד 85°C+. אנטנות אחרות בסדרה זו הן בעלות אפשרויות אורך כבל 50, 150, 200, 250 ו-300 מ"מ, וניתן ליצר אותן עם אורכי כבל מותאמים-במיוחד.

איור 6‏: אנטנת ISM שני-פסי-תדרים זו היא גמישה ומורכבת במערכת תוך שימוש בדבק ‘קלף-והדבק’. (מקור תמונה: Molex)

מספר מפרטי מפתח כוללים:

• נצילות: >55% ב-MHz‏ 868‏, >60% ב-‎902 MHz‏
• הגבר שיא: ‏‏‎0.3 dBi ב-‏MHz‏ 868‏, ‎1.0 dBi‏ ב-‎902 MHz‏
• תבנית קרינה: כל-כיוונית
• הפסדי החזרה (S11):‏ < 5‎ dB-‏

אנטנת ISM קרמית נצילות-גבוהה מולחמת ללוח המעגל המודפס

כשיש צורך בנצילות גבוהה יותר, מתכננים יכולים להשתמש באנטנה קרמית 2081420001 המתוכננת במיוחד עבור יישומי ISM (איור 7‏). ניתן להשתמש ברשתות תאום שונות בשני פסי-תדרים שונים; ‎868-870 MHz ו-‎902-928 MHz‏. מדורגת לשימוש מ-‏40- עד ‎125°C+, מידותיה 9‎ x 3 x 0.63 מ"מ

איור 7: עם רשתות תאום שונות, ניתן להשתמש באנטנה קרמית זו בשני פסי-תדרים שונים; ‎868-870 MHz ו-‎902-928 MHz‏. (מקור תמונה: Molex)

מספר מפרטי מפתח כוללים:

• נצילות: 70% ב-868‎ MHz,‏ 65% ב-902‎ MHz
• הגבר שיא: ‏‏‎1.5 dBi ב-‏MHz‏ 868‏, ‎1.8 dBi‏ ב-‎902 MHz‏
• תבנית קרינה: כל-כיוונית
• הפסדי החזרה (S11):‏ < 10‎- ב-‎868 MHz,‏ < 5- ב-‎902 MHz‏

סיכום

מיטוב אנטנה ושילוב ביישומי LPWA ISM, כולל LoRa‏, Neul,‏ Sigfox,‏ Zigbee‏ ופרוטוקולים Z-Wave IoT‏, הם משימות חשובות ומורכבות. מיטוב מאזן הערוץ דרוש כדי להבטיח ביצועים אלחוטיים טובים וחיי סוללה ארוכים. הוא כולל מספר פשרות מפרט עבודה חשמלית ופיתוח של רשת תאום עכבות יעילה. תהליך בחירת האנטנה גם חייבת לקחת בחשבון את סביבת העבודה ואת הדרישות המכניות והחברור של ההתקן.