Internet rzeczy (IoT) w ostatnim czasie wpłynął na życie i pracę niemal każdego z nas. Dla niektórych osób kontakt z IoT może po prostu oznaczać używanie smartwatcha do śledzenia nawyków żywieniowych i aktywności fizycznej, albo też korzystanie z inteligentnego licznika mediów, by oszczędzać energię i utrzymać rachunki pod kontrolą. Z drugiej strony możliwe stało się podłączanie do domowego asystenta cyfrowego niemalże wszystkiego, w tym urządzeń AGD, oświetlenia, ogrzewania, zamków do drzwi i zabezpieczeń oraz paneli słonecznych.

Zastosowania poza środowiskiem domowym – przemysłowe i biznesowe – są zwykle bardziej zróżnicowane. Mogą mieć na celu automatyzację systemów budynków w celu poprawy sprawności i zmniejszenia śladu węglowego lub gromadzenie mnóstwa danych na potrzeby zwiększenia kontroli nad procesami, planowania biznesowego, zarządzania mieniem, utrzymania sprzętu, zarządzania energią i odpadami, a nawet konceptualizacji i projektowania nowych produktów.

Najnowsze protokoły bezprzewodowe

W łączeniu z siecią urządzeń IoT technologie bezprzewodowe mają kilka naturalnych zalet. Kluczową jest elastyczność, która umożliwia umieszczanie urządzeń w różnych lokalizacjach bez ograniczeń, jakie stwarza fizyczne okablowanie. Ponadto instalowanie nowych przewodów w domu, biurze lub fabryce może być uciążliwe. Sieć bezprzewodowa jest często opłacalna ekonomicznie, zwłaszcza we wdrożeniach IoT na dużą skalę, oraz umożliwia łatwą i niedrogą skalowalność. Kolejna zaleta to mobilność, ogromnie wspomagająca zastosowania w urządzeniach ubieralnych i lokalizatorach. Ponadto w urządzeniach IoT zasilanych bateryjnie istotna może być także wydajność energetyczna technologii.

Do zdefiniowanych standardami technologii bezprzewodowych powszechnie wykorzystywanych w zastosowaniach IoT należy NFC – technologia idealna do krótkotrwałej wymiany danych z odległości kilku centymetrów. Energia radiowa emitowana przez czytnik NFC może wystarczyć do zasilenia obwodów odbiornika w celu pobierania i wysyłania na żądanie zapamiętanych danych.

Bluetooth zapewnia mobilność i oferuje elastyczność dopasowania szybkości transmisji danych, zasięgu i zużycia energii do wymagań danej aplikacji. Ten standard łączności pozwala na nawiązywanie połączeń typu punkt-punkt i tworzenie sieci kratowych (mesh), a najnowsze wersje obsługują także wykrywanie kierunku i lokalizację. Protokół Zigbee, zaprojektowany od początku z myślą o sieciach kratowych, ma podobne cechy. Z kolei technologia Wi-Fi może być preferowana tam, gdzie wymagany jest większy zasięg, wyższa szybkość transmisji danych lub przepustowość łącza. W użyciu pozostaje kilka generacji Wi-Fi, aż do Wi-Fi 6 o teoretycznej maksymalnej szybkości transmisji danych 9,6 Gb/s. Standard Wi-Fi 6 oferuje także elastyczną alokację kanałów, techniki redukcji zakłóceń i czasu oczekiwania na połączenie z siecią oraz formowanie wiązki, które może poprawić wydajność transmisji danych, a także ulepszone standardy zabezpieczeń WPA3.

Do aplikacji IoT wymagających większego zasięgu i większej mobilności dostępne są technologie komórkowe oraz sieci LPWAN, takie jak LoRa i Sigfox. W miarę wyłączania starszych sieci techniki transmisji danych 2,5G i 3G ustępują miejsca standardom takim jak LTE-M i NB-IoT, które wykorzystują najnowsze sieci LTE i 5G. Są one zoptymalizowane pod kątem potrzeb aplikacji IoT, które zazwyczaj wymagają częstej wymiany małych ilości danych.

Ponadto urządzenia takie jak lokalizatory zasobów mogą korzystać z konstelacji nawigacji satelitarnej (ogólnie nazywanych globalnymi systemami nawigacji satelitarnej lub GNSS), takich jak GPS, Galileo, GLONASS czy Beidou. Odbiorniki obsługujące wiele konstelacji zyskują dzięki trwalszej i bardziej niezawodnej dostępności danych lokalizacyjnych. Niektóre odbiorniki mogą oferować dostęp do specjalnych usług o wysokiej precyzji, świadczonych przez operatorów satelitarnych. Lokalizator może obliczyć położenie za pomocą wbudowanego podsystemu GNSS i udostępnić te informacje aplikacji hosta łączem bezprzewodowym, takim jak LPWAN lub komórkowe.

Wybór anteny

Fundamentalną funkcją anteny jest przenoszenie sygnałów między domenami elektromagnetyczną i elektryczną, wykorzystując rezonans na radiowej częstotliwości nośnej. Wymaga to, aby skuteczna długość anteny stanowiła określony ułamek długości fali sygnału nośnego. Z tego względu przy wyborze anteny ważny jest jej rozmiar, który jest bezpośrednio powiązany z pasmem, w którym ona pracuje, a to z kolei zależy od wybranej technologii bezprzewodowej i jej częstotliwości roboczej.

Ponadto kluczowe znaczenie przy doborze komponentów ma obudowa anteny. Urządzenia IoT mogą podlegać rygorystycznym ograniczeniom rozmiarów. Anteny muszą być więc małe, a jednocześnie zapewniać wysokie parametry użytkowe. Często wymagane jest uszczelnienie, zwłaszcza w przypadku urządzeń takich jak czujniki zdalne i inteligentne liczniki, które mogą być narażone na działanie w trudnych warunkach, przy jednoczesnym wymaganiu, że będą pracować przez długi czas.

Portfolio anten do montażu na płytkach drukowanych, montażu wewnętrznego i zewnętrznego, zoptymalizowane pod kątem pasm częstotliwości i technologii bezprzewodowych, może pomóc projektantom wybrać najlepszy typ dla danego zastosowania. Jednym z przykładów jest oferta anten firmy Amphenol RF, dostępnych w Mouser Electronics, obejmująca różne typy i rozmiary, opcje takie jak połączenia lutowane lub złącza koncentryczne, a także części zoptymalizowane pod kątem określonych technologii, np. anteny NFC i GNSS.

Anteny NFC

Na wybór anteny do zastosowań NFC wpływa kilka czynników. NFC działa w pasmie 13,56 MHz, więc aby zapewnić optymalną komunikację, antena musi być tak zaprojektowana, by rezonować na tej częstotliwości. Jako gotowe komponenty powszechnie dostępne są anteny ferrytowe i pętlowe.

Skuteczna długość anteny jest powiązana z częstotliwością roboczą, lecz anteny NFC mają również za zadanie pozyskiwanie z emitowanego przez urządzenia odczytujące pola RF energii do zasilania wbudowanego mikrokontrolera, pamięci i dodatkowego wyposażenia urządzenia IoT, które może obejmować układ scalony zabezpieczeń, w celu zbierania i przesyłania danych żądanych przez czytnik. Anteny NFC firmy Amphenol RF mają wymiary od 15 x 19 mm do 45 x 34 mm. Ostateczny wybór może zależeć od parametrów takich jak kształt urządzenia i pożądany zasięg odczytu. Zazwyczaj mniejsze anteny są kompaktowe, lecz oferują krótszy zasięg odczytu, podczas gdy większe zapewniają większy zasięg. O rozmiarze anteny decyduje miejsce dostępne w urządzeniu lub aplikacji.

Generalnie niektóre anteny NFC mogą być bardziej wrażliwe na orientację niż inne, co może wymagać szczególnej uwagi przy wyborze modelu i określeniu jego optymalnej pozycji w urządzeniu. Antena może być zespolona z płytką drukowaną lub przymocowana do obudowy.

Na działanie anteny mogą mieć wpływ metalowe przedmioty, zakłócenia elektryczne i inne czynniki środowiskowe. Konieczne może być ekranowanie lub odpowiednia lokalizacja. Właściwe dopasowanie impedancji między chipem/modułem NFC, a anteną jest niezbędne, aby zmaksymalizować transfer mocy i zminimalizować straty sygnału.

Anteny do technologii stosowanych powszechnie

Na potrzeby technologii takich jak Bluetooth i Wi-Fi, działających w pasmie 2,4 GHz, a także sieci komórkowych i LPWAN, dostępny jest szeroki wybór anten do montażu na płytce drukowanej, anten wewnętrznych i zewnętrznych. Wybór zależy od czynników takich jak kształt urządzenia, ograniczenia rozmiarów i pożądany zasięg komunikacji.

Do łączności Bluetooth i Wi-Fi 2/3/4 w pasmach częstotliwości 2,4 GHz dostępne są anteny lutowane SMD. Jednym z przykładów jest model ST0147-00-011-A firmy Amphenol RF. Ta antena pętlowa w postaci chipa ceramicznego o wymiarach 3,05 × 1,6 mm i grubości zaledwie 0,55 mm może przenosić do 2 W mocy radiowej. Oprócz niewielkich rozmiarów, ta antena do montażu powierzchniowego umożliwia szybki, automatyczny montaż i jest całkowicie zamknięta w obudowie, co zapewnia łatwe uszczelnienie i estetyczny wygląd.

Amphenol RF oferuje też dwie anteny na chipie ceramicznym do zastosowań LoRa LPWAN 433 MHz i 915 MHz. Te anteny o mocy 1 W i wymiarach 5,0 × 3,0 × 0,5 mm zajmują minimalną przestrzeń na płytce drukowanej i charakteryzują się wysoką kierunkowością, co umożliwia komunikację na duże odległości z wykorzystaniem protokołu LoRa.

Anteny zewnętrzne mają zwykle konstrukcję monopolową lub dipolową. Typ monopolowy składa się z pojedynczego drutu, który wymaga przeciwwagi (potocznie nazywanej płaszczyzną uziemienia) do odbijania fal radiowych i wspomagania kształtowania charakterystyki promieniowania. Antena monopolowa ma charakterystykę dookólną. Typ dipolowy ma dwa elementy przewodzące rozdzielone szczeliną. Są to często anteny półfalowe, zwykle dłuższe od monopolowych, lecz ich zysk energetyczny jest zazwyczaj większy, a charakterystyka promieniowania jest dwukierunkowa. Zysk energetyczny anteny wpływa bezpośrednio na zasięg i obszar pokrywany przez urządzenie. Anteny o większym zysku mogą zapewnić większy zasięg komunikacji.

Elementy ST1226-30-501 i ST1226-30-001 firmy Amphenol RF (ilustracja 1) to zewnętrzne anteny wielopasmowe o mocy 5 W, które działają w zakresach częstotliwości 2,4 – 2,5 GHz, 5,15 – 5,85 GHz i 5,925 – 7,125 GHz. Są odpowiednie do zastosowań Wi-Fi, łącznie z najnowszą generacją Wi-Fi 6. Zysk tych anten waha się od 2,0 w pasmie 2,4 GHz do 5,1 w pasmie 5,925 – 7,125 GHz.

Ilustracja 1. Antena zewnętrzna ST1226-30-001 firmy Amphenol RF (źródło: Mouser Electronics)

Do małych urządzeń, takich jak lokalizatory montowane na zasobach ruchomych, np. samochodach osobowych lub dostawczych, pojazdach budowlanych lub przenośnych generatorach, często wybierana jest łączność komórkowa. Do takich zastosowań odpowiednia może być antena wewnętrzna, aby ułatwić bardziej dyskretną instalację lub chronić delikatne części przed uszkodzeniem. Z drugiej strony większa antena zewnętrzna może być lepsza do urządzenia takiego jak bramka, przekazująca dane z wielu punktów końcowych IoT do chmury za pośrednictwem połączenia komórkowego.

Model ST0425-20-401-A firmy Amphenol RF to przykład anteny wewnętrznej do zastosowań komórkowych, w tym NB-IoT, w zakresach częstotliwości 0,69 – 0,96 GHz i 1,7 – 5,0 GHz. Antena ma wymiary 90 × 15 × 0,85 mm i jest dostarczana z przewodem koncentrycznym o długości 195 mm oraz wtykiem do podłączenia do płytki drukowanej. Może obsłużyć 1 W mocy radiowej i charakteryzuje się zyskiem szczytowym od 2,1 do 4,2, zależnie od pasma częstotliwości.

Ilustracja 2. Antena wewnętrzna ST0425-20-401-A firmy Amphenol RF (źródło: Mouser Electronics)

Anteny GNSS

Anteny GNSS są dostępne w różnych wersjach, np. ceramiczne lutowane SMD. Zwykle mają polaryzację kołową, która zapewnia wysoką czułość na sygnały satelitarne. Projektując sprzęt taki jak lokalizatory mienia wykorzystujące lokalizację satelitarną, projektanci muszą upewnić się, że wybrana antena obsługuje stosowne konstelacje. Model ST0326-41-001-A firmy Amphenol RF to antena z wtykiem SMA, nadająca się do typowych zastosowań GNSS w pasmie L1 1575,42 MHz, a także 1602 MHz, które jest podstawowym pasmem częstotliwości rosyjskiej konstelacji GLONASS. Przewód połączeniowy i wtyk pomagają projektantom zapewnić umieszczenie anteny w pozycji skierowanej ku niebu.

Podsumowanie

Rozmiar i typ obudowy to kluczowe kwestie, które należy wziąć pod uwagę przy wyborze anteny do aplikacji IoT. Duże anteny zewnętrzne zwykle oferują najkorzystniejsze parametry użytkowe. Z drugiej strony często preferowany jest montaż wewnętrzny, aby sprostać wyzwaniom środowiskowym oraz ułatwić użytkowanie i przenoszenie. Anteny do montażu powierzchniowego mogą rozwiązać problem ekstremalnych ograniczeń rozmiaru. Duży wybór sprzyja projektantom w poszukiwaniu najlepszego połączenia właściwości elektrycznych i fizycznych.