วิธีการเลือกและใช้งานเสาอากาศสำหรับอุปกรณ์ IoT

การเพิ่มขึ้นของอุปกรณ์ Internet of Things (IoT) ยังคงสูงขึ้นและเป็นแรงบันดาลใจในการออกแบบผลิตภัณฑ์นวัตกรรมขั้นปลาย อย่างไรก็ตาม นักออกแบบต้องคำนึงว่าไม่ว่าจะมีความคิดสร้างสรรค์และความพยายามมากเพียงใดในการสร้างฮาร์ดแวร์และซอฟต์แวร์ เสาอากาศก็ยังมีบทบาทสำคัญ หากเสาอากาศทำงานไม่ถูกต้อง ประสิทธิภาพของผลิตภัณฑ์จะลดลงเป็นอย่างมาก

เนื่องจากเสาอากาศเป็นอินเทอร์เฟซระหว่างอุปกรณ์และเครือข่ายไร้สาย เสาอากาศจึงเป็นส่วนสำคัญของกระบวนการออกแบบอุปกรณ์ IoT โดยเสาอากาศจะแปลงพลังงานไฟฟ้าเป็นคลื่นความถี่วิทยุแม่เหล็กไฟฟ้า (RF) ที่เครื่องส่ง และแปลงสัญญาณ RF ที่เข้ามาเป็นพลังงานไฟฟ้าที่เครื่องรับ นักออกแบบสามารถเพิ่มประสิทธิภาพการทำงานโดยการเลือกเสาอากาศที่ตรงตามพารามิเตอร์ทางวิศวกรรมที่สำคัญ อย่างไรก็ตาม ตัวเลือกและข้อควรพิจารณาที่มีอยู่มากมายอาจนำไปสู่รอบการออกแบบที่ล่าช้าและมีค่าใช้จ่ายสูง

บทความนี้สรุปบทบาทของเสาอากาศในอุปกรณ์ IoT ไร้สายและอธิบายเกณฑ์การออกแบบที่สำคัญที่ส่งผลต่อการเลือกอุปกรณ์ดังกล่าวโดยย่อ บทความนี้ใช้ตัวอย่างเสาอากาศจาก Amphenol เพื่อแสดงตัวเลือกที่เหมาะสมสำหรับเซ็นเซอร์ Bluetooth Low Energy (LE) หรือ Wi-Fi, เครื่องติดตามสินทรัพย์ IoT ที่มีความสามารถในการระบุตำแหน่งด้วยดาวเทียม GNSS, จุดเชื่อมต่อ (AP) Wi-Fi และอุปกรณ์ LoRa IoT

การตีความเอกสารข้อมูล

ประสิทธิภาพขั้นสุดท้ายของเสาอากาศขึ้นอยู่กับการตัดสินใจทางวิศวกรรม เช่น ตำแหน่งการติดตั้งและการออกแบบเครือข่ายการจับคู่ค่าอิมพีแดนซ์ การใช้งานที่ดีต้องอาศัยการศึกษาเอกสารข้อมูลของเสาอากาศอย่างรอบคอบ พารามิเตอร์ที่สำคัญ ได้แก่:

• รูปแบบการแผ่รังสี: ภาพกราฟิกนี้จะระบุถึงวิธีที่เสาอากาศแผ่รังสี (หรือดูดซับ) พลังงานวิทยุในพื้นที่ 3 มิติ (รูปที่ 1)
• ถ่ายโอนพลังงานสูงสุด: การถ่ายโอนพลังงานที่ดีระหว่างเสาอากาศและตัวรับเกิดขึ้นเมื่ออิมพีแดนซ์ของสายส่ง (Z₀) ให้ตรงกับเสาอากาศ (Z_a) การจับคู่ค่าอิมพีแดนซ์ที่ไม่ดีจะเพิ่มการสูญเสียการส่งกลับ (RL) โดยอัตราส่วนคลื่นนิ่งแรงดันไฟฟ้า (VSWR) บ่งบอกถึงการจับคู่อิมพีแดนซ์ระหว่างสายส่งสัญญาณและเสาอากาศ (ตารางที่ 1) ค่า VSWR ที่สูงส่งผลให้สูญเสียพลังงานสูง โดยทั่วไปค่า VSWR ที่ต่ำกว่า 2 ถือว่ายอมรับได้สำหรับผลิตภัณฑ์ IoT
• การตอบสนองความถี่: การสูญเสียการย้อนกลับ (RL) ขึ้นอยู่กับความถี่วิทยุ นักออกแบบควรศึกษาเอกสารข้อมูลสำหรับการตอบสนองความถี่ของเสาอากาศเพื่อให้แน่ใจว่า RL จะลดลงเหลือน้อยที่สุดที่ความถี่ในการทำงานที่ต้องการ (รูปที่ 2)
• ค่าทิศทาง: การวัดทิศทางของรูปแบบการแผ่รังสีของเสาอากาศ ค่าทิศทางสูงสุดถูกกำหนดเป็น D_max
• ประสิทธิภาพ (η): อัตราส่วนของกำลังที่แผ่ออกมาทั้งหมด (TRP หรือ P_rad) เพื่อป้อนกระแสไฟฟ้าเข้า (P_in ) คำนวณจากสูตร η = (Prad/Pin) * 100%
• ค่าเกน: ปริมาณพลังงานที่ถูกส่งไปในทิศทางของการแผ่รังสีสูงสุด โดยทั่วไปจะอ้างอิงถึงเสาอากาศแบบไอโซทรอปิกที่มีการกำหนดเป็น dBi คำนวณจากสูตร Gain_max = η * D_max.

รูปที่ 1: รูปแบบการแผ่รังสีแสดงให้เห็นภาพว่าเสาอากาศแผ่รังสีหรือดูดซับพลังงานวิทยุในพื้นที่ 3 มิติอย่างไร โดยทั่วไปเอกสารข้อมูลจะแสดงขอบเขตสูงสุดในระนาบ XY และ YZ เมื่อติดตั้งเสาอากาศตามที่ต้องการ (แหล่งที่มาภาพ: Amphenol)

ตารางที่ 1: VSWR แสดงถึงการจับคู่ค่าอิมพีแดนซ์ระหว่างสายส่งสัญญาณและเสาอากาศ โดยทั่วไปค่า VSWR ที่ต่ำกว่า 2 ถือว่ายอมรับได้สำหรับผลิตภัณฑ์ IoT (แหล่งที่มาตาราง: Steven Keeping)

รูปที่ 2: VSWR และ RL ตามความถี่ ควรลด RL ให้เหลือน้อยที่สุดเมื่อถึงความถี่ในการทำงานที่ต้องการ (แหล่งที่มาภาพ: Amphenol)

การเพิ่มประสิทธิภาพการทำงาน

เสาอากาศที่มีประสิทธิภาพต่ำจะจำกัดปริมาณพลังงานไฟฟ้าที่แปลงเป็นพลังงานที่แผ่ออกไปที่เครื่องส่ง และปริมาณพลังงานที่เก็บเกี่ยวจากสัญญาณ RF ขาเข้าที่เครื่องรับ ประสิทธิภาพที่ไม่ดีในทั้งสองด้านจะลดระยะการเชื่อมต่อไร้สาย

ปัจจัยหลักที่ส่งผลต่อประสิทธิภาพของเสาอากาศคืออิมพีแดนซ์ ความไม่ตรงกันอย่างมีนัยสำคัญระหว่างอิมพีแดนซ์ของเสาอากาศ (ซึ่งเกี่ยวข้องกับแรงดันไฟฟ้าและกระแสไฟฟ้าที่อินพุต) และอิมพีแดนซ์ของแหล่งแรงดันไฟฟ้าที่ขับเคลื่อนเสาอากาศ ส่งผลให้การถ่ายโอนพลังงานไม่ดี

วงจรจับคู่ค่าอิมพีแดนซ์ที่ออกแบบมาอย่างดีจะลดค่า VSWR และการสูญเสียพลังงานที่ตามมาด้วยการจับคู่ค่าอิมพีแดนซ์ของแหล่งพลังงานเครื่องส่งสัญญาณกับค่าอิมพีแดนซ์ของเสาอากาศ โดยทั่วไปแล้วค่าอิมพีแดนซ์จะอยู่ที่ 50 โอห์ม (Ω) สำหรับผลิตภัณฑ์ IoT พลังงานต่ำ

ตำแหน่งของเสาอากาศยังส่งผลอย่างมากต่อกำลังส่งและความไวในการรับสัญญาณของผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้ายอีกด้วย สำหรับเสาอากาศภายใน แนวทางการออกแบบแนะนำให้วางไว้ที่ด้านบนของอุปกรณ์ IoT บนขอบแผงวงจรพิมพ์ (พีซี) และให้ห่างจากส่วนประกอบอื่นๆ ที่อาจสร้างสัญญาณรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI) ในระหว่างการทำงานให้มากที่สุด ส่วนประกอบที่ตรงกับค่าอิมพีแดนซ์นั้นเป็นข้อยกเว้น เนื่องจากส่วนประกอบเหล่านี้จะต้องอยู่ใกล้กับเสาอากาศตามความจำเป็น แผ่นและวงจรบนบอร์ดพีซีที่เชื่อมต่อเสาอากาศกับวงจรส่วนที่เหลือควรเป็นตัวนำทองแดงเพียงชนิดเดียวในพื้นที่ระยะห่างที่กำหนดไว้ (รูปที่ 3)

รูปที่ 3: ควรวางเสาอากาศที่ติดตั้งบนบอร์ดพีซีไว้ใกล้กับขอบบอร์ดพีซี ควรวางเสาอากาศให้ห่างจากส่วนประกอบอื่นๆ (นอกเหนือจากที่ใช้ในวงจรจับคู่ค่าอิมพีแดนซ์) โดยจัดให้มีพื้นที่ว่างไว้ด้วย (แหล่งที่มาภาพ: Amphenol)

(สำหรับรายละเอียดเพิ่มเติมเกี่ยวกับแนวทางการออกแบบเสาอากาศ โปรดศึกษา “วิธีการใช้เสาอากาศแบบฝังมัลติแบนด์เพื่อประหยัดพื้นที่ ความซับซ้อน และต้นทุนในการออกแบบ IoT")

ชนิดของเสาอากาศ

การระบุเสาอากาศถือเป็นส่วนสำคัญของกระบวนการออกแบบอุปกรณ์ IoT ควรปรับเสาอากาศให้เหมาะสมกับย่านความถี่ RF ของอินเทอร์เฟซไร้สายเป้าหมาย เช่น NB-IoT สำหรับความถี่ต่าง ๆ ระหว่าง 450 เมกะเฮิรตซ์ (MHz) และ 2200 MHz, LoRa สำหรับ 902 ถึง 928 MHz ในอเมริกาเหนือ, Wi-Fi สำหรับ 2.4 กิกะเฮิรตซ์ (GHz) และ 5 GHz และ Bluetooth LE สำหรับ 2.4 GHz

เสาอากาศใช้แนวคิดทางไฟฟ้าที่แตกต่างกัน ตัวอย่าง ได้แก่ เสาอากาศแบบโมโนโพล, เสาอากาศแบบไดโพล, เสาอากาศแบบลูป, เสาอากาศแบบ F อินเวิร์ต (IFA), และเสาอากาศแบบ F อินเวิร์ตแบบระนาบ (PIFA) แต่ละอย่างจะเหมาะกับการใช้งานเฉพาะ

นอกจากนี้ยังมีเสาอากาศแบบปลายเดียวและแบบต่างกันด้วย ประเภทปลายเดียวเป็นแบบไม่สมดุล ในขณะที่เสาอากาศแบบต่างกันจะเป็นแบบสมดุล เสาอากาศปลายเดียวจะรับหรือส่งสัญญาณที่อ้างอิงกับกราวด์ และค่าอิมพีแดนซ์อินพุตลักษณะเฉพาะโดยทั่วไปจะอยู่ที่ 50 Ω อย่างไรก็ตาม เนื่องจากไอซี RF จำนวนมากมีพอร์ต RF ที่แตกต่างกัน จึงมักต้องใช้เครือข่ายการแปลงหากใช้เสาอากาศปลายเดียว เครือข่าย Balun นี้จะแปลงสัญญาณจากสัญญาณสมดุล (Balance) เป็นแบบไม่สมดุล (Unbalance)

เสาอากาศแบบต่างกันจะส่งสัญญาณเสริมกัน 2 สัญญาณ โดยแต่ละสัญญาณจะอยู่ในตัวนำของตัวเอง เนื่องจากเสาอากาศมีความสมดุล จึงไม่จำเป็นต้องใช้ Balun เมื่อใช้เสาอากาศกับไอซี RF ที่มีพอร์ต RF ที่แตกต่างกัน

สุดท้าย เสาอากาศมีหลายรูปแบบ เช่น บอร์ดพีซี ชิปหรือแพทช์ ก้านภายนอก และสาย รูปที่ 4 แสดงตัวอย่างการใช้งานบางส่วน

รูปที่ 4: มีเสาอากาศหลายประเภทให้เลือกใช้เพื่อให้เหมาะกับการใช้งาน IoT แบบต่างๆ (แหล่งที่มาภาพ: Amphenol)

การจับคู่เสาอากาศให้เข้ากับการใช้งาน

ปัจจัยรูปแบบการใช้งานและผลิตภัณฑ์จะกำหนดตัวเลือกสุดท้ายของเสาอากาศ ตัวอย่างเช่น หากผลิตภัณฑ์ IoT มีข้อจำกัดด้านพื้นที่ ก็สามารถติดตั้งเสาอากาศบอร์ดพีซีเข้ากับวงจรบอร์ดพีซีโดยตรงได้ เสาอากาศเหล่านี้เป็นตัวเลือกที่ยอดเยี่ยมสำหรับการใช้งาน 2.4 GHz เช่น Bluetooth LE หรือเซ็นเซอร์ Wi-Fi ในอุปกรณ์สมาร์ทโฮม รวมถึงไฟส่องสว่าง เครื่องควบคุมอุณหภูมิ และระบบรักษาความปลอดภัย โดยให้ประสิทธิภาพ RF ที่เชื่อถือได้ในสถาปัตยกรรมรูปทรงต่ำ อย่างไรก็ตาม การออกแบบเสาอากาศบอร์ดพีซียังคงมีความยุ่งยาก ทางเลือกหนึ่งคือการหาเสาอากาศบอร์ดพีซีจากผู้ขายเชิงพาณิชย์ และสามารถติดเข้ากับบอร์ดพีซีได้โดยใช้วัสดุยึดติด

ตัวอย่างของเสาอากาศบอร์ดพีซีคือเสาอากาศ RF บอร์ดพีซี Wi-Fi รุ่น ST0224-10-401-A ของ Amphenol เสาอากาศมีรูปแบบการแผ่รังสีรอบทิศทางในย่านความถี่ 2.4 ถึง 2.5 GHz และ 5.15 ถึง 5.85 GHz เสาอากาศมีขนาด 30 x 10 x 0.2 มิลลิเมตร (มม.) และมีค่าอิมพีแดนซ์ 50 Ω โดย RL มีค่าน้อยกว่า -10 เดซิเบล (dB) สำหรับช่วงความถี่ทั้งสอง และค่าขยายสูงสุดคือ 2.1 dB เทียบกับไอโซทรอปิก (dBi) ในย่านความถี่ 2.4 GHz และ 3.1 dBi ในย่านความถี่ 5 GHz โดยมีประสิทธิภาพอยู่ที่ 77 และ 71% ตามลำดับ (รูปที่ 5)

รูปที่ 5: เสาอากาศบอร์ดพีซี Wi-Fi รุ่น ST0224-10-401-A มีประสิทธิภาพในทั้งย่านความถี่ 2.4 และ 5 GHz (แหล่งที่มาภาพ: Amphenol)

ตัวเลือกอื่นสำหรับผลิตภัณฑ์ IoT ที่มีพื้นที่จำกัดคือเสาอากาศแบบชิป โดยอุปกรณ์อัตโนมัติสามารถติดตั้งส่วนประกอบขนาดกะทัดรัดนี้บนบอร์ดพีซีได้โดยตรง ซึ่งเสาอากาศนี้เหมาะกับการใช้งาน IoT แบบไร้สายที่ใช้ Bluetooth LE หรือ Wi-Fi ข้อได้เปรียบหลักของเสาอากาศแบบชิป ได้แก่ การประหยัดพื้นที่ ต้นทุนการผลิตที่ลดลง และกระบวนการออกแบบที่เรียบง่าย

ดังที่อธิบายไว้ข้างต้น ประสิทธิภาพของเสาอากาศชิปนั้นขึ้นอยู่กับปัจจัยต่างๆ เช่น การจัดวางแผงพีซีและส่วนประกอบโดยรอบ แต่ความก้าวหน้าในเทคโนโลยีเสาอากาศได้ส่งผลให้ได้อุปกรณ์ที่มีประสิทธิภาพสูง เสาอากาศชิปเหมาะกับการใช้งานต่างๆ ตั้งแต่สมาร์ทโฟนและแท็บเล็ตไปจนถึงระบบบ้านอัจฉริยะและเซ็นเซอร์อุตสาหกรรม

ตัวอย่าง เช่น เสาอากาศชิปแบบติดตั้งบนพื้นผิวบอร์ดพีซีความถี่ 2.4 GHz รุ่น ST0147-00-011-A ของ Amphenol เสาอากาศมีรูปแบบการแผ่รังสีรอบทิศทางในย่านความถี่ 2.4 ถึง 2.5 GHz (รูปที่ 6) เสาอากาศมีขนาด 3.05 x 1.6 x 0.55 มม. และมีค่าอิมพีแดนซ์ 50 Ω RL มีค่าต่ำกว่า -7 dB, ค่าขยายสูงสุดคือ 3.7 dBi และประสิทธิภาพเฉลี่ยคือ 80%

รูปที่ 6: เสาอากาศแบบชิปติดตั้งบนพื้นผิว ST0147-00-011-A มีขนาดกะทัดรัดและแสดงรูปแบบการแผ่รังสีรอบทิศทางในระนาบ XY (แหล่งที่มาภาพ: Amphenol)

เสาอากาศแบบแพทช์มีขนาดกะทัดรัดและสามารถติดเข้ากับบอร์ดพีซีได้โดยตรง เช่นเดียวกับเสาอากาศบอร์ดพีซี การใช้งานทั่วไปคือเสาอากาศสำหรับเครื่องติดตามทรัพย์สินหรืออุปกรณ์อื่นๆ ที่มีความสามารถระบบดาวเทียมนำทางทั่วโลก (GNSS) เสาอากาศแบบแพทช์ GNSS ประกอบด้วยองค์ประกอบแพทช์บนพื้นผิวไดอิเล็กตริก ประสิทธิภาพสูงช่วยให้เสาอากาศสามารถรับสัญญาณ GNSS ที่อ่อนจากดาวเทียมหลายดวงได้

ตัวอย่างเช่น เสาอากาศแพทช์ GNSS แบบพาสซีฟสำหรับการทำงานในย่านความถี่ 1.575 และ 1.602 GHz รุ่น ST0543-00-N04-U ของ Amphenol เสาอากาศมีขนาด 18 x 18 x 4 มม. และมีค่าอิมพีแดนซ์ 50 Ω ค่า RL น้อยกว่า -10 dB สำหรับช่วงความถี่ทั้งสอง และค่าขยายสูงสุดคือ -0.5 dBi ในย่านความถี่ 1.575 GHz และ 1.0 dBi ในย่านความถี่ 1.602 GHz ประสิทธิภาพอยู่ที่ 80 และ 82% ตามลำดับ

เสาอากาศแบบก้านภายนอก เช่น เสาอากาศบน Wi-Fi AP ได้รับการติดตั้งไว้ด้านนอกอุปกรณ์ IoT เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการทำงานของวิทยุ เสาอากาศแบบก้านภายนอกช่วยขยายระยะสัญญาณ ปรับปรุงคุณภาพสัญญาณ และเอาชนะอุปสรรคหรือสัญญาณรบกวน มีประโยชน์ในสภาพแวดล้อมที่มีสัญญาณอ่อนหรือมีสิ่งกีดขวาง เช่น บริเวณที่มีผนัง เพดาน และเฟอร์นิเจอร์ในบ้าน มีให้เลือกใช้ทั้งแบบก้านตรงและแบบเกลียว โดยแต่ละแบบมีการเชื่อมต่ออินเทอร์เฟซ RF มาตรฐาน เช่น SMA, RP-SMA และ N-Type

ตัวอย่าง เช่น เสาอากาศ SMA RF stick 2.4 และ 5 GHz รุ่น ST0226-30-002-A ของ Amphenol เสาอากาศเป็นโซลูชั่นที่ดีสำหรับ Wi-Fi AP และกล่องรับสัญญาณ (STB) มีรูปแบบการแผ่รังสีรอบทิศทางในย่านความถี่ 2.4 ถึง 2.5 GHz และ 5.15 ถึง 5.85 GHz เสาอากาศมีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 88 x 7.9 มม. และมีค่าอิมพีแดนซ์ 50 Ω ค่า RL น้อยกว่า -10 dB สำหรับช่วงความถี่ทั้งสอง และค่าเกนสูงสุดคือ 3.0 dBi ในย่านความถี่ 2.4 GHz และ 3.4 dBi ในย่านความถี่ 5 GHz ประสิทธิภาพอยู่ที่ 86 และ 75% ตามลำดับ เสาอากาศมีให้เลือกใช้ทั้งขั้วต่อ SMA หรือ RP-SMA (รูปที่ 7)

รูปที่ 7: เสาอากาศแบบก้านภายนอก ST0226-30-002-A สำหรับ Wi-Fi AP มีให้เลือกใช้ขั้วต่อปลั๊ก SMA หรือ RP-SMA (แหล่งที่มาภาพ: Amphenol)

เสาอากาศแบบสายเกลียวเป็นตัวเลือกราคาไม่แพงและใช้งานง่ายสำหรับการใช้งานย่านความถี่ต่ำกว่า GHz เช่น อุปกรณ์ LoRa IoT ที่ทำงานในย่านความถี่ 868 MHz โดยทั่วไปเสาอากาศจะบัดกรีเข้ากับบอร์ดพีซีโดยตรงและให้ประสิทธิภาพที่ดี ข้อเสียบางประการได้แก่ ขนาดที่ใหญ่เทอะทะ โดยเฉพาะเมื่อทำงานที่ความถี่ต่ำ และประสิทธิภาพที่ค่อนข้างต่ำเมื่อเทียบกับเสาอากาศทางเลือกบางประเภท

ตัวอย่าง เช่น เสาอากาศ RF 862 MHz รุ่น ST0686-10-N01-U ของ Amphenol (รูปที่ 8) เสาอากาศแบบสายเกลียวนี้ทำงานในย่านความถี่ 862 ถึง 874 MHz และมีค่าอิมพีแดนซ์ 50 Ω เสาอากาศมีคุณลักษณะการบัดกรีแบบทะลุรูที่มีความสูงสูงสุด 38.8 มม. มีค่า RL น้อยกว่า -9.5 dB, ค่าขยายสูงสุด 2.5 dBi และประสิทธิภาพเฉลี่ย 58%

รูปที่ 8: เสาอากาศแบบสายเกลียว ST0686-10-N01-U เป็นตัวเลือกที่ดีสำหรับการใช้งาน LoRa IoT (แหล่งที่มาภาพ: Amphenol)

สรุป

ประสิทธิภาพการทำงานของวิทยุอุปกรณ์ IoT ไร้สายขึ้นอยู่กับการเลือกเสาอากาศ ดังนั้น นักออกแบบจะต้องเลือกอย่างรอบคอบจากการออกแบบเสาอากาศที่มีให้เลือกมากมายจากซัพพลายเออร์ เช่น Amphenol เพื่อให้เหมาะกับการใช้งานมากที่สุด โดยเอกสารข้อมูลเป็นสิ่งสำคัญในระหว่างการเลือก แต่การปฏิบัติตามแนวทางการออกแบบที่กำหนดจะช่วยให้มั่นใจได้ถึงประสิทธิภาพไร้สายที่ดีที่สุด