Antene pentru IoT

Internetul lucrurilor (IoT) se dezvoltă continuu pe baza comunicațiilor prin unde radio. Se estimează că numărul de obiecte tehnologice IoT demne de remarcat, ce comunică pe rază scurtă (comerciale și de consum) a crescut continuu până în anul 2022 și ar putea exista aproximativ 20 de miliarde de dispozitive inteligente IoT în funcțiune, simultan cu o creștere a cererii de rețea 5G. IoT a pătruns în aplicațiile industriale sub forma IIoT (Industrial IoT). Lumea dispozitivelor utilizate în IoT (gateway-uri, modem-uri și stații de bază) este plină de standarde cu protocoalele respective, care încearcă să atenueze limitările care vin cu hardware-ul proprietar personalizat și lipsa neutralității furnizorului. Deși nu există o platformă IoT universală, se încearcă să existe un nivel fizic standard (PHY) și un nivel mediu de control al accesului (MAC) care s-ar potrivi cel mai bine unei aplicații alese. De exemplu, pentru IoT industrial (IIoT), protocolul WirelessHART acceptă operarea în banda ISM de 2,4 GHz folosind standardul IEEE 802.15.4. fiind dezvoltat de HART Communications Foundation pentru comunicație cu o latență scăzută, fiabilitate ridicată, viață decentă a bateriei (3-5 ani) și transmisii cu debit mediu (~150 Mbps). Arhitecturile de rețea extinsă Low Power Wide Area Network (LPWAN) permit distanțe de conexiune mari (<1 km), durată de viață extrem de ridicată a bateriei (~10 ani), dar la debit scăzut de transfer intermitent de date (3 Kbps la 375 Kbps) în transmisii pentru aplicații industriale, medicale, agricole și smart city.

Nevoi de antene diferite pentru aplicații cu lățime de bandă redusă

IoT este deosebit de rețelele fără fir, care au debit extrem de mare de date, cum ar fi 5G, wireless de înaltă eficiență (HEW, cunoscut și sub numele de IEEE 802.11ax) și WiGig, care măresc viteze de ordinul a 10 Gbps prin utilizarea spațiului vast de spectru continuu în unde milimetrice (mmWave) sau prin utilizarea schemelor de modulație avansată, cum ar fi agregarea purtătoarelor, OFDM 64-QAM și multi-utilizator MIMO (MU-MIMO).

Rețelele și dispozitivele IoT, valorifică benzile sub-6 GHz cu licență și fără licență, folosind cantități mici de lățime de bandă (<5 MHz), în timp ce LTE-A utilizează până la 20 MHz prin utilizarea schemelor de modulație avansată. În loc să folosească algoritmi de formare a fasciculului cu AESA, rețelele IoT folosesc topologii plasă, stea sau punct-la-punct pentru a ghida inteligent legăturile între gateway-uri și dispozitive finale.

Notă. Fabricanții de produse care comunică prin unde radio sunt obligați să își certifice produsele pentru a se asigura că sunt conforme cu normele de reglementare de pe piețele din întreaga lume, pentru a oferi un transmițător digital licențiat, atenuând riscul oricărei interferențe în spațiul de spectru aglomerat, inclusiv din SUA (norme FCC) și Europa (norme UE).

Dispozitivele IoT se bazează pe topologii specifice – fie stea (star), fie plasă (mesh) – pentru a transmite date de la nod la nod sau de la gateway la nod. Structura ideală a rețelei depinde de distanța de legătură necesară (topologiile de plasă sunt limitate la distanțe foarte scurte), de utilizarea bateriei (în plasă trebuie să fie întotdeauna în standby, în timp ce dispozitivele bazate pe stea pot intra în modurile de repaus) și de latență (numărul de salturi de la noduri pentru a ajunge în cloud).

Topologie de plasă (mesh)

În topologia plasă, fiecare dispozitiv este conectat la orice alt dispozitiv din rețea printr-o legătură punct-la-punct dedicată. Când spunem dedicat, înseamnă că legătura transportă date numai pentru cele 2 dispozitive conectate. Dacă sunt „n” dispozitive în rețea, fiecare dispozitiv trebuie să fie conectat cu (n-1) dispozitive ale rețelei. Numărul de legături într-o topologie de plasă cu „n” dispozitive ar fi n(n-1)/2.

Avantajele topologiei plasă

Nu există probleme de trafic de date, legătura fiind disponibilă doar pentru câte 2 dispozitive.
Este fiabilă și robustă, eșecul unei legături neafectând alte legături.
Este sigură fiindcă există legături punct la punct, accesul neautorizat nefiind posibil.
Detectarea defecțiunilor este ușoară.

Dezavantajele topologiei plasă

Fiecare dispozitiv trebuie conectat cu altele, deci numărul de porturi I/O trebuie să fie mare.
Probleme de extindere, fiindcă un dispozitiv nu poate fi conectat la un număr mare de dispozitive cu o legătură punct la punct dedicată.

Topologia stelară

În topologia stea, fiecare dispozitiv din rețea este conectat la un dispozitiv central numit „hub”. Spre deosebire de topologia plasă, topologia stea nu permite comunicarea directă între dispozitive, un dispozitiv trebuie să comunice doar prin hub. Dacă un dispozitiv vrea să trimită date către alt dispozitiv, trebuie să trimită mai întâi datele către hub și apoi hub-ul va transmite acele date către dispozitivul desemnat.

Avantajele topologiei stea

Cost mai mic, un dispozitiv având nevoie doar de un port I/O conectat la un hub.
Mai ușor de instalat.
Robustă, dacă o legătură eșuează, alte legături vor funcționa în continuare.
Detectare ușoară a defectării unei legături.

Dezavantajele topologiei stea

Dacă hub-ul se defectează, niciunul dintre dispozitive nu poate funcționa fără hub.
Hub-ul necesită resurse și întreținere regulată fiind piesa centrală a topologiei.

Parametrii definitori pentru antene

Directivitatea exprimă concentrația unui fascicul de radiație într-o anumită direcție. Prin urmare, o antenă omnidirecțională e concentrată oarecum uniform în toate cele 3 dimensiuni, în timp ce o antenă direcțională prezintă modele de radiație mai înguste. Acest lucru este adesea realizat prin combinarea mai multor elemente radiante.
Câștigul – specificația cel mai des întâlnită în fișele de date – este o măsurare a puterii totale radiate de o antenă.

Antena omnidirecțională radiază și primește energia RF în mod egal, oferind un model de radiație de 360 de grade care permite conectivitate în toate direcțiile.

Antena direcțională are o rază de aproximativ 45 până la 90 de grade, concentrând energia RF într-o direcție necesară și limitând conectivitatea la acea zonă anume. Acest lucru poate ajuta la depășirea interferențelor și a căilor multiple, oferind o acoperire mai bună și mai structurată.

Antene direcționale: Panel (9-20dBi), Yagi (11dBi), Horn (10-20dBi), Parabolic Dish (20-40dBi).

Antene omnidirecționale: Flexy Rubber (3-5dBi), Whip (0-2dBi), Paddle (3dBi), Mobile/In-Vehicle(0-5dBi), PCB (2-5dBi), Chip (0-3dBi), GPS Patch (0-3dBi), Dome (2-7dBi). dBi – înseamnă „decibel relativ la antena izotropă”.

Antene utilizate în dispozitivele IoT

Antenele folosite cel mai des în IoT sunt omnidirecționale, relativ simple, cum ar fi antene Chip, PCB, Whip, Flexy Rubber, Patch și antene cu fir, asigurând reproductibilitate la un cost mic.

Frecvența aplicației IoT date trebuie să se încadreze în lățimea de bandă a antenei. Tabelul prezintă câteva aplicații comune IoT și tehnologiile lor de rețea fără fir, împreună cu benzile de frecvență în care funcționează. În timp ce majoritatea acestor aplicații funcționează în benzile ISM fără licență, Medical Body Area Networks (MBAN) și Wireless Avionics Intra-Communications, ambele au benzile de frecvențe dedicate.

Considerații privind antenele bici (Whip)

Pe lângă lățimea de bandă, există un factor de spațiu notabil. Antenele whip, flexy rubber și paddle au avantajul modularității, fiind externe, nu sunt integrate pe PCB în dispozitivul IoT și pot fi mai convenabile pentru prototipuri. Acestea sunt cele mai comune tipuri de antene monopol, în special, whip cu un sfert de undă (λ/4). Antena “bici” constă dintr-un fir drept flexibil sau tijă. Capătul de jos al firului este conectat la receptorul sau transmițătorul radio.

Adesea, ecranul cablului coaxial servește ca plan de masă al monopolurilor alimentate cu coaxial, cum ar fi antenele whip, dar este esențial să existe un plan de masă conductor suficient (λ/4) în raport cu antena. Orice lucru mai mic poate afecta eficiența radiației (proporțională cu rezistența planului de masă), impedanța, frecvența de rezonanță și, în cele din urmă, performanța acesteia.

Antenele whip pot fi protejate la mediu cu un rating mare (IP67 sau IP68), calitate importantă în mediile industriale în aer liber sau dure, unde apa, murdăria, uleiul și substanțele chimice pot deteriora antenele externe.

Siretta: +Mike 2A, antenă omnidirecțională, λ/2.

Quad band 2G & 3G, 4G, 5G LTE și ISM
Bază magnetică puternică, cablu 5m
Benzile ISM 824 – 960 MHz, 1710 – 2170 MHz

Cablu SMA Male pe RG174 sau o variantă cu pierderi reduse. Disponibilă standard cu un conector FME Female pe cablu RG174. Comenzi de volum mic cu lungimi alternative de cablu și tipuri de conector.

Siretta: DELTA5A/X/SMAM/S/S/17, Antene 868MHZ, λ/4, 100mm. Flexy rubber, whip antena, câștig 3dBi.

Antenă scurtă monopol, ce funcționează ca o antenă bici. Formată dintr-o sârmă ca un arc, este o antenă elicoidală îngustă, sigilată într-un înveliș cauciuc sau de plastic pentru protecție.

Considerații privind antena Patch

Antenele patch sunt adesea folosite în dispozitivele IoT cu capabilități GPS, deoarece semnalele transmise de sateliți au fie polarizare circulară pe dreapta (RHCP), fie polarizare circulară stânga (LHCP), în timp ce antenele patch pot fi proiectate pentru polarizare dublă. Există încă multe antene patch care vor prezenta un singur tip de polarizare, RHCP sau LHCP, așa că este esențial să alegeți o polarizare care să se potrivească cu transmisia.

Siretta: ECHO19/0.1M/UFL/S/S/17, Antenă RF 1,575GHz, GPS Ceramic Patch, câștig 16dBi, Montare la suprafață.

Siretta: ECHO 40, antenă PIFA (Planar Inverted F Antenna). Se fixează pe orice suprafață sau PCB și lipită la planul de masă. Performanța este câștigată cu un plan de masă metalic atașat.

Impedanță: 50 Ω, Câștig: 0 – 2dBi, SWR: ≤ 3, Radiație: omnidirecțională, Polarizare: verticală.

Benzi de frecvență @ câștig:

689 – 960 MHz @ 0dBi
1710 – 2710 MHz @ 2dBi
2500 – 2700 MHz @ 2dBi

Dimensiuni: 90,3 mm × 30 mm × 3 mm. Greutate: 26 grame.

Considerații privind antena Cip (Chip) și antena PCB

Dispozitivele IoT cu antene încorporate precum cip (chip) și PCB au avantajul de a se potrivi în spații mici. Compuse din trasee conductoare, antenele PCB prezintă adesea câștiguri mai mari decât cele bazate pe cip. Planul de masă are o importanță deosebită în realizarea de antene PCB, deoarece un plan de masă mai mic poate constrânge semnificativ proiectarea cu o lățime de bandă funcțională mult mai îngustă, eficiență redusă a radiației antenei și model de radiație modificat. Ca la orice antenă, volumul elementului radiativ este direct proporțional cu câștigul său, antenele PCB încorporate ocupând mult spațiu pe placă. Dar, dispozitivele care implementează o antenă PCB au avantajul de a menține o formă relativ plată, și permit încapsularea ușoară și montarea în orice mediu.

Siretta: Echo 31 antenă PCB, dedicată WiFi/WLAN dublă bandă. Când o rețea aglomerată de 2,4 GHz este o limitare, dispozitivul poate utiliza banda alternativă de 5 GHz.

WiFi / WLAN dublă bandă – 2.4GHz / 5GHz
Bluetooth / ZigBee
Soluție încorporată

Având 50 × 15 mm, Echo 31 este perfect pentru aplicații în care spațiul intern e limitat sau o antenă externă nu este adecvată. Aplicațiile obișnuite pentru Echo 31 includ: modele rezistente la apă/etanșe la apă, aparate de autoservire și Zigbee cu putere redusă.

Antenele cu cip omnidirecțional au, în general, un model de radiație în formă de cardioid și prezintă unele dintre cele mai mici câștiguri. Când sunt testate în medii reale, aceste antene pot prezenta o directivitate mai mare într-o anumită direcție și pot avea o orientare optimă pentru generarea unei legături. Aplicațiile IoT purtabile, cum ar fi WBAN-urile, vor necesita utilizarea de antene cu cip datorită beneficiilor de dimensiune, cu compromisul acceptabil al distanțelor mai scurte de legătură.

Antene direcționale pentru IoT

Antenele direcționale precum Yagi și antenele sectoriale pot fi folosite pentru a extinde raza de transmisie sau pentru stațiile de bază IoT. Poziționarea mecanică a unei antene direcționale cu câștig mare va oferi probabil o distanță de legătură mai mare decât structurile antenei omnidirecționale. Antenele Yagi sunt adesea folosite în sistemele de control de supraveghere și achiziție de date (SCADA) pentru IIoT, permițând debitul și fiabilitatea ridicate a datelor. Antenele de tip panou (sector) prezintă de obicei o lățime de fascicul mai mare decât antenele Yagi și sunt adesea folosite în stațiile de bază SigFox, LoRa și WLAN, deoarece mai multe structuri pot fi montate împreună, oferind o acoperire de 360 de grade.

Siretta: Oscar 44, antenă Yagi cu 5 elemente, câștig 9 dBi, 450MHz ISM. Polarizare verticală sau orizontală. Dimensiuni: 570 × 180 × 36mm. Greutate: 600g.

Ideală pentru locații îndepărtate, cum ar fi stații de pompare și de tratare a apei.

Siretta: Oscar 43, antenă de 450 MHz, câștig 5dBi, polarizare verticală. Antenă tip panou (sector) 195 × 236 × 47mm, rezistentă la intemperii și vânt (60m/s), cu suport pentru montarea pe stâlp. Cablurile pentru Oscar 43 sunt disponibile de la Siretta: 5m, 10m și 15m.

Alte considerații privind antena: zgomot intern și obstacole externe

Pe lângă considerentele specifice topologiei antenei, există obstacole mai generale care pot împiedica transmiterea unui semnal. Anumite componente de la bord pot genera semnale false care pot împiedica transmisia/recepția corectă a semnalului. În plus, obstacolele care inhibă propagarea, cum ar fi carcasa metalică, necesită antene externe. Obstacolele de mediu, cum ar fi clădirile și munții, dar și condițiile meteo pot cauza atenuări aleatorii (fading) ce împiedică uplink-urile/downlink-urile adecvate. Aceasta, poate fi o problemă numai pentru sistemele cu o distanță de legătură mult mai mare. Singura modalitate de a proiecta ideal un sistem IoT este experimentarea cu amplasarea componentelor, antenei și conexiunilor, împreună cu materialele carcasei.

Concluzie

Alegerea unei antene este o problemă cu mai multe fațete.

Așa cum există multe standarde și protocoale IoT care se potrivesc diferitelor aplicații IoT, la fel există o varietate de antene pentru a ajuta la radierea și recepția acestor semnale. Rețelele industriale de senzori fără fir (IWSN) pot necesita noduri de senzori (și antene) care sunt foarte fiabile, în ciuda factorilor de mediu duri, care pot obține în mod fiabil upgrade-uri de firmware-over-the-air pentru a menține măsurile de securitate adecvate. Aplicațiile de tip agricultură inteligentă, care probabil folosesc fie WLAN, fie o formă de LPWAN (sau ambele) ar necesita, de asemenea, antene cu rating de protecție IP fiind externe carcasei. Majoritatea aplicațiilor MBAN ar necesita probabil module portabile cu antene cu cip care au specificații de putere foarte stricte și care în cele din urmă comunică cu un dispozitiv de control printr-o legătură fără fir. Este posibil ca aparatele inteligente precum și casa inteligentă să nu fie la fel de stricte în ceea ce privește puterea, dar antenele ar trebui să se potrivească într-o carcasă; în aceste aplicații pot fi utilizate antene mici sau flexibile. Structurile antenelor pot varia semnificativ pentru a se potrivi cel mai bine cu caracteristicile de transmisie ale oricărei aplicații IoT particulare.

Antene pentru aplicații în IoT

Siretta Ltd firmă din UK (Marea Britanie) este un producător și dezvoltator de top pentru dispozitive din IoT, software IoT și soluții IoT, pentru aplicații industriale și aplicații B2B.

Siretta oferă cunoștințe și experiență vastă în domeniul IoT, cu accent pe tehnologiile celulare în sprijinul 2G (GPRS), 3G (UMTS), 4G (LTE), NB-IoT și LTE Categoria M. Frecvențele sunt, de obicei, în intervalul 75MHz – 5,8GHz, acoperind frecvențele HF, VHF, ISM, celulare, GNSS.

Portofoliul include: modemuri și terminale celulare, routere, analizoare de rețea celulară, antene RF, inclusiv soluții pentru WLAN, LoRa și Sigfox. Se livrează ansambluri de cabluri RF și accesorii RF.

Constantin Savu
Director General Ecas Electro
Dl. Constantin Savu este inginer electronist cu o experiență de peste 30 ani în domeniul componentelor electronice și al selectării acestora pentru aplicații. Fiind bun cunoscător al componentelor și al tehnologiei de fabricație a modulelor electronice cu aplicații în domeniile industrial și comercial, coordonează direct producția la firma de profil Felix Electronic Services.
ECAS Electro | www.ecas.ro
ECAS Electro este distribuitor autorizat pentru produsele Siretta.

Detalii tehnice: Ing. Emil Floroiu (emil@floroiu.ro)
birou.vanzari@ecas.ro

Referințe:

Antennas – Siretta – Enabling Industrial IoT