( Sursă imagine: Mouser Electronics).
Internetul lucrurilor (IoT) a influențat viața și munca aproape tuturor în ultima vreme. Pentru unii oameni, implicarea lor în IoT poate fi similară cu utilizarea unui ceas inteligent pentru monitorizarea obiceiurilor legate de alimentație sau de exerciții fizice sau pentru a beneficia de contorul inteligent al furnizorului de utilități pentru a economisi energie și a ține facturile sub control. La cealaltă extremă, a devenit posibilă conectarea tuturor lucrurilor, inclusiv a aparatelor electrocasnice, a iluminatului, a încălzirii, a încuietorilor de ușă și a sistemelor de securitate, precum și a panourilor solare, controlate și gestionate prin intermediul unui asistent digital casnic.
În afara locuințelor, cazurile de utilizare industrială și comercială sunt, de obicei, mai diverse. Acestea pot avea ca scop automatizarea sistemelor din clădiri pentru a îmbunătăți eficiența și a reduce amprenta de carbon, sau pot avea ca scop colectarea de multe alte date care contribuie la îmbunătățirea controlului proceselor, planificarea activității, gestionarea activelor, întreținerea echipamentelor, gestionarea energiei și a deșeurilor și chiar conceptualizarea și proiectarea de noi produse.
Cele mai recente protocoale wireless
Tehnologiile wireless oferă numeroase puncte forte inerente pentru conectarea dispozitivelor IoT. Un avantaj cheie este flexibilitatea, care permite implementarea dispozitivelor în diverse locații fără constrângerile impuse de cablarea fizică. De asemenea, instalarea de noi cabluri în casă, la birou sau în fabrică poate fi deranjantă. Tehnologia wireless este adesea rentabilă, în special pentru implementările IoT la scară largă și permite o scalabilitate ușoară și ieftină. Mobilitatea este un alt avantaj, oferind un factor de activare puternic în aplicații precum dispozitivele purtabile și urmărirea activelor. În plus, eficiența energetică a tehnologiilor wireless poate fi importantă în cazul dispozitivelor IoT care funcționează alimentate de la baterii.
Printre tehnologiile wireless standardizate utilizate frecvent în aplicațiile IoT se numără NFC, aceasta fiind ideală pentru schimburi de date de scurtă durată pe distanțe de câțiva centimetri. Energia conținută în câmpul de radiofrecvență emis de un dispozitiv cititor NFC poate fi suficientă ca să alimenteze circuitele receptorului pentru a prelua și transmite datele memorate, așa cum se solicită.
Conectivitatea Bluetooth® oferă mobilitate și permite flexibilitate în ceea ce privește proiectarea ratei de transfer de date, a razei de acțiune și a consumului de putere pentru a satisface cerințele unei aplicații date. Aceasta permite conexiuni punct-la-punct și conexiuni de tip mesh, iar cele mai recente versiuni acceptă, de asemenea, detectarea direcției și localizarea. Gândită încă de la început pentru rețele mesh, tehnologia Zigbee are caracteristici similare. Wi-Fi® poate fi preferat în cazul în care este necesară o rază de acțiune mai mare, o viteză de transfer de date mai mare sau o capacitate de conectare mai mare. Încă sunt în exploatare o serie de generații de Wi-Fi, până la Wi-Fi 6, a cărei viteză maximă teoretică de transfer de date este de 9,6 Gbps. Wi-Fi 6 dispune, de asemenea, de o alocare flexibilă a canalelor, de tehnici de reducere a interferențelor și a timpilor de așteptare pentru conectarea la rețea și de formare a fasciculului care poate îmbunătăți eficiența transmiterii datelor, precum și de o securitate WPA3 îmbunătățită.
În cazul aplicațiilor IoT, care au nevoie de o rază de acțiune mai mare și de o mai mare mobilitate, opțiunile includ tehnologiile celulare, precum și tehnologiile LPWAN (Low Power Wide Area Network), cum ar fi LoRa și Sigfox. Pe măsură ce rețelele vechi sunt dezactivate, conexiunile de date 2,5G și 3G mai vechi fac loc unor standarde precum LTE-M și NB-IoT, care utilizează cele mai recente rețele LTE și 5G. Acestea sunt optimizate pentru a răspunde nevoilor aplicațiilor IoT, care necesită, de obicei, schimburi frecvente de cantități mici de date.
De asemenea, unele dispozitive, precum cele de urmărire a activelor, se pot baza pe constelații de sateliți de navigație (denumite generic sisteme globale de navigație prin satelit sau GNSS), cum ar fi GPS, Galileo, GLONASS și BeiDou. Receptoarele multi-constelație pot beneficia de o disponibilitate mai consistentă și mai robustă a datelor de localizare. Unele receptoare pot oferi acces la servicii speciale de mare precizie furnizate de operatorii de sateliți. Un dispozitiv de urmărire poate calcula locația cu ajutorul subsistemului GNSS încorporat și poate partaja aceste informații cu aplicația IoT gazdă prin intermediul unei conexiuni fără fir, cum ar fi LPWAN sau celulară.
Selectarea antenei
Cea mai elementară funcție a unei antene este aceea de a transfera semnale între domeniul electromagnetic și cel electric, folosindu-se de rezonanța la frecvența purtătoare RF. Acest lucru necesită ca lungimea efectivă a antenei să fie o fracțiune specifică din lungimea de undă a semnalului purtător. Prin urmare, la selectarea antenei, dimensiunea este importantă. Aceasta este direct legată de banda de frecvență la care funcționează antena, care depinde de tehnologia wireless aleasă și de frecvența de operare asociată.
În plus, amplasarea antenei este un aspect critic care afectează selecția componentelor. Dispozitivele IoT pot fi supuse unor limitări stricte de dimensiune. Acest lucru impune ca antenele să fie mici, oferind în același timp performanțe ridicate. Adesea este necesară etanșarea, în special în cazul unor elemente precum senzorii la distanță și contoarele inteligente, care pot fi expuse la condiții dure și se așteaptă să rămână în funcțiune pentru perioade lungi de timp.
Existența unui portofoliu care oferă o gamă variată de antene montate pe PCB, amplasate intern sau extern, optimizate pentru anumite benzi de frecvență și tehnologii wireless utilizate frecvent în aplicațiile IoT, poate ajuta proiectanții să aleagă cel mai bun tip pentru aplicația lor. Un exemplu este portofoliul de antene de la Amphenol RF, disponibil la Mouser Electronics, care oferă diverse tipuri și dimensiuni, opțiuni precum conexiuni prin lipire sau coaxiale, dar și componente optimizate pentru tehnologii specifice, cum ar fi antenele NFC și GNSS.
Antene NFC
La alegerea unei antene pentru aplicațiile NFC intervin mai mulți factori. NFC funcționează la 13,56 MHz, astfel încât antena trebuie să fie proiectată să rezoneze la această frecvență pentru a asigura o comunicație optimă. Antenele bobinate cu fir și antenele buclă sunt, de obicei, produse standard, disponibile în comerț.
Chiar dacă lungimea efectivă a antenei este legată de frecvența de operare, antenele NFC au, totodată, rolul de a recolta energie din câmpul RF emis de dispozitivele de citire pentru a alimenta microcontrolerul încorporat al dispozitivului IoT, memoria și hardware-ul suplimentar, care poate include un circuit integrat de securitate, pentru a colecta și transmite datele solicitate de cititor. Dimensiunile antenelor NFC de la Amphenol RF variază între 15 mm × 19 mm și 45 mm × 34 mm. Selecția finală poate depinde de anumite variabile, cum ar fi factorul de formă al dispozitivului și intervalul de citire dorit. De obicei, antenele mai mici sunt compacte, dar oferă o rază de citire mai scurtă, în timp ce antenele mai mari oferă o rază de citire mai mare. Spațiul disponibil în cadrul dispozitivului sau al aplicației va dicta dimensiunea antenei.
În general, este posibil ca unele antene NFC să fie mai sensibile la orientare decât altele, ceea ce poate necesita o atenție sporită atunci când se selectează un anumit model și se determină poziția optimă a acestuia în dispozitiv. Antena poate fi integrată în placa de circuit sau fixată pe carcasă.
Obiectele metalice, interferențele electrice și alți factori de mediu pot afecta performanța antenei. Poate fi necesară o ecranare sau o amplasare corespunzătoare. Adaptarea adecvată a impedanței între cipul/modulul NFC și antenă este esențială pentru a maximiza transferul de energie și a minimiza pierderea de semnal.
Antene pentru tehnologiile utilizate frecvent
Pentru tehnologii precum Bluetooth și Wi-Fi, care operează la 2,4 GHz, precum și pentru tehnologiile celulare și LPWAN, există o gamă largă de antene cu montare pe PCB, interne și externe. Alegerea depinde de diverși parametri, cum ar fi factorul de formă al dispozitivului, constrângerile de dimensiune și intervalul dorit de comunicație.
Pentru aplicații Bluetooth și Wi-Fi 2/3/4 în benzile de frecvență de 2,4 GHz pentru utilizări industriale, științifice și medicale (cunoscute sub numele de benzi ISM) sunt disponibile antene de mărimea unui cip. Un exemplu este antena ST0147-00-011-A de la Amphenol RF. Măsurând 3,05 mm × 1,6 mm și având un profil subțire de numai 0,55 mm, această antenă buclă cu substrat ceramic poate gestiona 2W de putere RF. În plus față de dimensiunile sale mici, antena cu montare pe suprafață este compatibilă cu procesul de asamblare automată de mare viteză și poate fi integrată complet în carcasă, permițând o etanșare ușoară și un aspect îngrijit.
Amphenol RF dispune, de asemenea, de două antene cu cip ceramic pentru aplicații LoRa LPWAN de 433MHz și 915MHz. Aceste antene de 1W cu dimensiuni de 5,0 mm × 3,0 mm × 0,5 mm ocupă un spațiu minim pe placa de circuit imprimat și au un câștig de vârf de 0,9 pentru a permite comunicații pe distanțe lungi folosind protocolul LoRa.
Figura 1: Antena externă ST1226-30-001 de la Amphenol RF. (Sursa imaginii: Mouser Electronics)
Antenele externe tind să fie monopolare sau dipolare. Cele monopolare constau dintr-un singur fir care necesită un plan de masă pentru a reflecta undele radio și a ajuta la modelarea tiparului de radiație. Acest tipar este omnidirecțional. Antenele dipolare au două elemente conductoare separate de un spațiu. Acestea sunt adesea antene cu jumătate de lungime de undă, de obicei mai lungi decât cele monopolare, câștigul este de obicei mai mare, iar modelul de radiație este bidirecțional. Câștigul antenei afectează direct raza de acțiune și acoperirea dispozitivului. Antenele cu un câștig mai mare pot oferi o rază de comunicație mai mare.
ST1226-30-501 și ST1226-30-001 (Figura 1) de la Amphenol RF sunt antene externe multifrecvență de 5W care operează în gamele de frecvențe de 2,4GHz-2,5GHz, 5,15GHz-5,85GHz și 5,925GHz-7,125GHz, potrivite pentru aplicații Wi-Fi până la cea mai recentă generație Wi-Fi 6. Câștigul acestor antene monopolare variază de la 2,0 în banda de 2,4GHz la 5,1 în banda de 5,925 GHz-7,125GHz.
Tehnologia celulară rămâne, de cele mai multe ori, conectivitatea aleasă pentru dispozitivele mici, cum ar fi localizatoarele care urmează să fie montate pe bunuri mobile, precum automobile sau camionete, vehicule pentru construcții sau generatoare portabile. În aceste aplicații, o antenă internă poate fi potrivită pentru a permite o instalare mai discretă sau pentru a păstra piesele fragile la adăpost. Pe de altă parte, o antenă externă de dimensiuni mai mari poate fi potrivită pentru un dispozitiv, cum ar fi un gateway proiectat pentru a direcționa datele de la mai multe puncte terminale IoT către cloud prin intermediul unei conexiuni celulare.
Figura 2: Antena internă ST0425-20-401-A de la Amphenol RF. (Sursa imaginii: Mouser Electronics)
ST0425-20-401-A de la Amphenol RF este un exemplu de antenă internă pentru aplicații celulare, inclusiv NB-IoT în gamele de frecvență 0,69GHz-0,96GHz și 1,7GHz-5,0GHz. Măsurând 90 mm × 15 mm × 0,85 mm, antena este livrată cu un cablu coaxial de 195 mm și o mufă pentru conectarea la placa de circuit. Poate gestiona o putere RF de 1W și are un câștig de vârf de la 2,1 la 4,2, în funcție de banda de frecvență.
Antene GNSS
Antenele GNSS sunt disponibile în diferite stiluri, cum ar fi antenele ceramice patch. Ca tip, acestea au polarizare circular, care asigură o sensibilitate ridicată la semnalele sateliților. Atunci când proiectanții creează, de exemplu, dispozitive de urmărire a activelor cu localizare prin satelit, trebuie să se asigure că antena aleasă este compatibilă cu constelațiile relevante. ST0326-41-001-A de la Amphenol RF este o antenă cu mufă SMA potrivită pentru aplicații tipice GNSS în banda L1 la 1575,42 MHz, precum și la 1602 MHz, aceasta fiind banda de frecvență primară a constelației rusești GLONASS. Cablul de conectare și mufa ajută proiectanții să se asigure că antena este plasată într-o poziție orientată spre cer.
Concluzie
Dimensiunea și modul de ambalare sunt aspecte esențiale care trebuie luate în considerare atunci când se alege o antenă pentru o aplicație IoT. Antenele externe mari tind să ofere cele mai favorabile performanțe RF. Pe de altă parte, montarea internă este adesea preferată pentru a rezista provocărilor din mediul înconjurător și pentru a permite o utilizare și o portabilitate mai ușoară, în timp ce antenele cu montare pe suprafață pot oferi o soluție atunci când constrângerile de dimensiune sunt extreme. Opțiunea de a alege reprezintă cel mai bun aliat al proiectantului aflat în căutarea unei combinații optime de proprietăți electrice și fizice.
Autor:
Mark Patrick
Mouser Electronics
Authorised Distributor
www.mouser.com
Urmărește-ne pe Twitter
