เพิ่มประสิทธิภาพการรวมเสาอากาศในอุปกรณ์ ISM LPWA

การขยายตัวอย่างต่อเนื่องของอินเทอร์เน็ตของสรรพสิ่ง (IoT) ในอุตสาหกรรม ผู้บริโภค และอุปกรณ์ทางการแพทย์ รวมถึงเมืองอัจฉริยะและอาคารอัจฉริยะที่กำลังเกิดขึ้นใหม่ กำลังขับเคลื่อนการใช้เครือข่ายไร้สายบริเวณกว้างที่ใช้พลังงานต่ำ (LPWA) เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว โดยเฉพาะอย่างยิ่งในย่านความถี่วิทยุ (RF) ทางอุตสาหกรรม วิทยาศาสตร์ และการแพทย์ (ISM) ที่ 915 MHz ในสหรัฐอเมริกาS, 868 และ 169 MHz ในยุโรปและ 433 MHz ในเอเชียที่รองรับโปรโตคอลไร้สาย เช่น LoRa, Neul, SigFox, Zigbee และ Z-Wave

อุปกรณ์ LPWA ยังคงหดตัวและต้องการเสาอากาศราคาไม่แพงและกะทัดรัดพร้อมประสิทธิภาพที่เหนือกว่า ปัญหาระนาบกราวด์ของเสาอากาศอาจเป็นปัญหาโดยเฉพาะในย่านความถี่ ISM 868 และ 915 MHz สิ่งเหล่านี้สามารถจัดการได้โดยใช้วงจรเพิ่มเติม การรวมอุปกรณ์ที่เพิ่มขึ้น และการปรับความถี่ที่แม่นยำยิ่งขึ้น ซึ่งทั้งหมดนี้สามารถเพิ่มเวลาและต้นทุนในการพัฒนา นักออกแบบต้องการเสาอากาศที่ช่วยลดความกังวลเกี่ยวกับระนาบพื้น นอกจากนี้ อุปกรณ์ LPWA มักจะใช้พลังงานจากแบตเตอรี่และต้องการประสิทธิภาพพลังงานสูงสุด การเลือกและการรวมเสาอากาศเป็นส่วนสำคัญของการออกแบบที่มีประสิทธิภาพ โซลูชันเสาอากาศที่น้อยกว่าที่เหมาะสมสามารถลดอายุการใช้งานแบตเตอรี่และส่งผลให้ประสิทธิภาพของระบบโดยรวมแย่ลง

งบประมาณลิงก์ที่ปรับให้เหมาะสมเป็นกุญแจสำคัญประการหนึ่งในอินเทอร์เฟซการสื่อสารไร้สายที่เชื่อถือได้และมีประสิทธิภาพ การเลือกและการรวมเสาอากาศมีผลกระทบอย่างมากต่องบประมาณการเชื่อมโยง แต่การออกแบบหรือเลือกสายอากาศที่มีประสิทธิภาพและมีประสิทธิภาพสูงที่จัดการทั้งเรื่องงบประมาณการเชื่อมโยงและระนาบภาคพื้นดินนั้นเป็นกระบวนการที่ซับซ้อน ข้อมูลจำเพาะของเสาอากาศที่ส่งผลต่องบประมาณการเชื่อมโยง ได้แก่ อิมพีแดนซ์ การสูญเสียการย้อนกลับ อัตราส่วนคลื่นนิ่งของแรงดันไฟฟ้า อัตราขยาย รูปแบบการแผ่รังสี และอื่น ๆ การระบุเสาอากาศที่ผสานรวมได้ง่าย กะทัดรัด และประสิทธิภาพสูง ซึ่งช่วยลดปัญหาระนาบภาคพื้นดิน สามารถลดเวลาทางวิศวกรรมได้อย่างมากและปรับปรุงประสิทธิภาพของระบบโดยรวม

บทความนี้อธิบายโมเดลงบประมาณลิงก์พื้นฐาน ทบทวนข้อกำหนดเสาอากาศหลักที่ส่งผลต่องบประมาณลิงก์ และนำเสนอ ตัวอย่างเสาอากาศ จาก Molex ที่สามารถเอาชนะปัญหาเครื่องบินภาคพื้นดินและช่วยเพิ่มประสิทธิภาพงบประมาณการเชื่อมโยงในอุปกรณ์ LPWA

งบประมาณลิงก์พื้นฐาน

ลิงค์งบประมาณในระบบไร้สายวัดพลังงาน RF ที่มีประสิทธิภาพซึ่งมาถึงเครื่องรับ สมการเริ่มต้นด้วยกำลังส่งในหน่วยเดซิเบล-เมตร (dBm) บวกกำไรใดๆ ในเดซิเบล (dB) ลบการสูญเสียด้วยหน่วย dB และมาถึงกำลังรับในหน่วย dBm ในการออกแบบที่ใช้งานได้จริง มีผู้มีส่วนทำให้กำไรและขาดทุนจำนวนมาก

เจาะลึกเรื่องงบประมาณลิงก์

ประสิทธิภาพของเสาอากาศเป็นปัจจัยเดียวที่ส่งผลต่อการเพิ่มและการสูญเสียในงบประมาณลิงก์ ประสิทธิภาพของสายอากาศ อัตราขยาย และรูปแบบการแผ่รังสีเป็นปัจจัยสำคัญสามประการของประสิทธิภาพของสายอากาศ และมักจะวัดโดยใช้ช่องสัญญาณแบบ over-the-air (OTA) (รูปที่ 1) ปัจจัยอื่นๆ ที่อาจส่งผลกระทบต่องบประมาณลิงก์ ได้แก่ การสูญเสียผลตอบแทน (พารามิเตอร์ S11) และอัตราส่วนคลื่นนิ่งของแรงดันไฟ (VSWR)

รูปที่ 1: ประสิทธิภาพ เกน และรูปแบบการแผ่รังสีของเสาอากาศวัดโดยใช้ช่อง OTA (ในภาพ DUT หมายถึงอุปกรณ์ภายใต้การทดสอบ) (แหล่งรูปภาพ: Molex)

ประสิทธิภาพของเสาอากาศเป็นตัวกำหนดการแผ่รังสีของเสาอากาศ มักใช้ประสิทธิภาพโดยเฉลี่ย แต่ประสิทธิภาพไม่ใช่ตัวเลขเดียว เป็นเส้นโค้งที่สามารถแบนได้มากหรือน้อยขึ้นอยู่กับเสาอากาศเฉพาะที่กำลังพิจารณา (รูปที่ 2) บ่อยครั้งที่เสาอากาศที่มีเส้นโค้งประสิทธิภาพที่แบนราบกว่าจะมีประสิทธิภาพสูงสุดต่ำกว่าเสาอากาศที่มีเส้นโค้งประสิทธิภาพสูงสุด

รูปที่ 2: เส้นโค้งประสิทธิภาพของเสาอากาศอาจแตกต่างกันอย่างมาก: เสาอากาศทางด้านซ้ายมีเส้นโค้งประสิทธิภาพที่แบนกว่า แต่ด้านขวามีประสิทธิภาพสูงสุดสูงกว่าประมาณ 10% ที่ 915 MHz (แหล่งที่มาภาพ: Molex)

เช่นเดียวกับประสิทธิภาพ อัตราขยายของเสาอากาศสามารถวัดได้เป็นค่าเฉลี่ยหรือค่าสูงสุด/สูงสุด ที่ความถี่ที่กำหนด อัตราขยายเฉลี่ยจะถูกวัดจากทุกมุมในพื้นที่สามมิติ ในขณะที่อัตราขยายสูงสุดคือจุดปฏิบัติการเพียงจุดเดียว โดยทั่วไป ยิ่งได้รับเฉลี่ยมากเท่าไรก็ยิ่งดีเท่านั้น

รูปแบบการแผ่รังสีของเสาอากาศเป็นปัจจัยสำคัญในการกำหนดอัตราขยาย เสาอากาศตามทฤษฎีที่แผ่พลังงานเท่ากันในทุกทิศทางเรียกว่าไอโซทรอปิกเรดิเอเตอร์และมีอัตราขยาย 0 เดซิเบล (ความสามัคคี) เสาอากาศจริง แม้กระทั่งที่เรียกว่าการออกแบบรอบทิศทางก็มีรูปแบบการแผ่รังสีที่ไม่ใช่ไอโซโทรปิกและสามารถกำหนดทิศทางได้มากหรือน้อยตามที่วัดในระนาบ 3 มิติ (รูปที่ 3) เสาอากาศที่มีอัตราขยาย 3 dB จะมีประสิทธิภาพเป็นสองเท่าในทิศทางที่กำหนดเช่นเดียวกับหม้อน้ำแบบไอโซโทรปิก มันเพิ่มกำลังของตัวส่งหรือความไวของตัวรับเป็นสองเท่าในทิศทางเฉพาะนั้น

รูปที่ 3: รูปแบบการแผ่รังสีแตกต่างกันไปตามการออกแบบเสาอากาศต่าง ๆ และอาจมีความสำคัญในการคำนวณงบประมาณลิงก์ เสาอากาศทั้งสองนี้ถูกกำหนดด้วยรูปแบบการแผ่รังสีรอบทิศทาง (แหล่งที่มาภาพ: Molex)

การออกแบบเสาอากาศและสภาพแวดล้อมโดยรอบส่งผลต่อรูปแบบการแผ่รังสี การวัดแผ่นข้อมูลทั่วไปใช้สภาพแวดล้อมที่มีพื้นที่ว่างโดยไม่มีสิ่งรบกวนโดยรอบ ในการใช้งานจริง อัตราขยายสูงสุดจะลดลง 1 ถึง 2 เดซิเบลเมื่อเทียบกับไอโซโทรปิก (dBi) เนื่องจากรูปแบบการแผ่รังสีจะเปลี่ยนไปเนื่องจากส่วนประกอบโดยรอบ

การสูญเสียผลตอบแทน (S11) และอัตราส่วนคลื่นนิ่งของแรงดันไฟ (VSWR) เป็นการวัดที่เกี่ยวข้องของปริมาณพลังงานที่สะท้อนจากเสาอากาศกลับไปยังวงจร RF และค่าที่น้อยกว่าจะดีกว่า (รูปที่ 4) S11 ≤ -6dB หรือ VSWR ≤ 3 มักถูกพิจารณาว่าเป็นระดับประสิทธิภาพขั้นต่ำที่ยอมรับได้ ถ้า S11 = 0 dB พลังงานทั้งหมดจะสะท้อนกลับและไม่มีการแผ่รังสีใดๆ หรือถ้า S11 = -10 dB เมื่อส่งพลังงาน 3 dB ไปยังเสาอากาศ -7 dB คือพลังงานที่สะท้อนกลับ เสาอากาศใช้พลังงานที่เหลืออยู่

รูปที่ 4: การสูญเสียการย้อนกลับของเสาอากาศประสิทธิภาพสูง (ขวา) อยู่ที่ประมาณ -14 dB ที่ 915 MHz ในขณะที่การสูญเสียการย้อนกลับของเสาอากาศประสิทธิภาพสูงที่ต่ำกว่าที่มีเส้นกราฟแสดงประสิทธิภาพที่ราบเรียบอยู่ที่ประมาณ -10 dB ที่ 915 MHz (แหล่งที่มาภาพ: Molex)

VSWR เป็นฟังก์ชันของสัมประสิทธิ์การสะท้อน เช่นเดียวกับการสูญเสียผลตอบแทน VSWR ที่เล็กกว่าบ่งบอกถึงเสาอากาศที่ดีกว่า ค่าต่ำสุดของ VSWR คือ 1.0 ซึ่งไม่มีพลังงานสะท้อนจากเสาอากาศ การจับคู่อิมพีแดนซ์สามารถใช้เพื่อลด S11 และ VSWR การจับคู่อิมพีแดนซ์เกี่ยวข้องกับการปรับเปลี่ยนสายส่งระหว่างเสาอากาศและวงจร RF เพื่อปรับปรุงการถ่ายเทพลังงานสูงสุด อิมพีแดนซ์ที่ไม่ตรงกันส่งผลให้เสาอากาศบางส่วนไม่รับกำลัง RF การจับคู่ที่แน่นอนระหว่างอิมพีแดนซ์ของสายส่งและอิมพีแดนซ์ของเสาอากาศส่งผลให้กำลัง RF ทั้งหมดที่ได้รับที่เสาอากาศ

เสาอากาศบางตัวมีอิมพีแดนซ์ 50 Ω และไม่ต้องการเครือข่ายที่ตรงกัน เสาอากาศส่วนใหญ่ต้องการเครือข่ายอิมพีแดนซ์ที่ตรงกันในสายส่งเพื่อปรับประสิทธิภาพของเสาอากาศให้เหมาะสมที่สุด โดยทั่วไปจำเป็นต้องมีเครือข่ายที่ตรงกันกับเสาอากาศที่รองรับคลื่นความถี่หลายแถบ เครือข่ายที่ตรงกันสามารถประกอบด้วยตัวเก็บประจุ ตัวเหนี่ยวนำ หรือตัวต้านทานต่างๆ รวมกันเมื่อจำเป็น

เพิ่มประสิทธิภาพเสาอากาศ

เสาอากาศพื้นฐานประกอบด้วยตัวนำที่มีความยาวที่กำหนด แต่สามารถเพิ่มองค์ประกอบเพิ่มเติมเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการทำงานของเสาอากาศได้ ตัวอย่างหนึ่งคือเทคโนโลยีเสาอากาศ MobliquA™ จาก Molex ที่มีเทคโนโลยีเพิ่มแบนด์วิดท์ (รูปที่ 5) เทคโนโลยี MobliquA ได้รับการออกแบบมาเพื่อปรับปรุงช่วงของความถี่ซึ่งการสูญเสียการส่งคืนเป็นที่ยอมรับได้ ซึ่งมักเรียกกันว่า 'แบนด์วิธอิมพีแดนซ์' เทคโนโลยีนี้สามารถปรับปรุงแบนด์วิดท์อิมพีแดนซ์ได้ 60 ถึง 70 เปอร์เซ็นต์โดยไม่กระทบต่อประสิทธิภาพการแผ่รังสีหรือเพิ่มขนาดของเสาอากาศ เสาอากาศ ISM ที่ออกแบบมาสำหรับ 868 MHz และ 915 MHz โดยใช้เทคโนโลยี MobliquA สามารถมีระดับเสียงน้อยกว่าการออกแบบทั่วไปถึง 75% และขจัดความจำเป็นในการปรับวงจรราคาแพงและการปรับความถี่ที่จำเป็นเพื่อแก้ไขปัญหาการพึ่งพาระนาบพื้น

รูปที่ 5: เทคโนโลยี MobliquA ของ Molex ได้รับการออกแบบมาเพื่อปรับปรุงแบนด์วิดท์อิมพีแดนซ์และให้ภูมิคุ้มกันในระดับสูงต่อการสอดวัตถุที่เป็นโลหะเข้าไปในระดับเสียงของเสาอากาศ (แหล่งที่มาภาพ: Molex)

เทคโนโลยี MobliquA ช่วยให้สามารถใช้ RF แยกส่วนหรือชิ้นส่วนที่มีการลงกราวด์ได้ เช่น ตัวเรือนคอนเนคเตอร์ที่มีการลงกราวด์ ให้ภูมิคุ้มกันที่ดีจากการสอดชิ้นส่วนโลหะเข้าไปในปริมาตรของเสาอากาศ เทคนิคการป้อนที่เป็นเอกลักษณ์รวมกับกราวด์โดยตรงขององค์ประกอบเสาอากาศช่วยเพิ่มการป้องกันการปล่อยไฟฟ้าสถิต (ESD) สำหรับส่วนหน้า RF

การรวมเสาอากาศ

แม้ว่าข้อกำหนดทางไฟฟ้าทั้งหมดที่กล่าวถึงข้างต้นเป็นส่วนสำคัญของการรวมเสาอากาศ แต่ก็ยังมีปัญหาในการเชื่อมต่อทางกลไกและการรวมเสาอากาศเข้ากับระบบ มีความเป็นไปได้หลายอย่าง ตัวอย่างเช่น เสาอากาศบางตัวได้รับการออกแบบให้บัดกรีเข้ากับระบบ และเสาอากาศอื่น ๆ มีสายโคแอกซ์และขั้วต่อที่ต่อเข้ากับระบบ สองส่วนต่อไปนี้แสดงข้อกำหนดบางประการสำหรับเสาอากาศรอบทิศทางแต่ละตัว

เสาอากาศ ISM แบบยืดหยุ่นพร้อมโคแอกซ์และขั้วต่อ

สำหรับการใช้งานที่ต้องการเสาอากาศ ISM แบบดูอัลแบนด์ 868/915 MHz นักออกแบบสามารถเลือกรุ่น 2111400100 จาก Molex ได้ (รูปที่ 6) เสาอากาศโมโนโพลนี้มีขนาด 38 x 10 x 0.1 มม. ทำจากวัสดุโพลีเมอร์ที่มีความยืดหยุ่น และมีสายไมโครโคแอกซ์ยาว 100 มม. ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางภายนอก 1.13 มม. และขั้วต่อ U.FL ที่เข้ากันได้กับ MHF เป็นแบบ 'ลอกแล้วติด' และจะยึดติดกับพื้นผิวที่ไม่ใช่โลหะ สามารถรองรับกำลัง RF ได้ 2 วัตต์ และมีช่วงอุณหภูมิการทำงาน -40 ถึง +85 °C เสาอากาศอื่น ๆ ในซีรีส์นี้มีตัวเลือกความยาวสายเคเบิล 50, 150, 200, 250 และ 300 มม. และสามารถกำหนดความยาวเองได้

รูปที่ 6: เสาอากาศ ISM แบบดูอัลแบนด์นี้มีความยืดหยุ่นและติดตั้งในระบบโดยใช้กาว 'ลอกแล้วติด' (แหล่งที่มาภาพ: Molex)

ข้อกำหนดที่สำคัญบางประการ ได้แก่:

• ประสิทธิภาพ: >55% ที่ 868 MHz, >60% ที่ 902 MHz
• อัตราขยายสูงสุด: 0.3 dBi ที่ 868 MHz, 1.0 dBi ที่ 902 MHz
• รูปแบบการแผ่รังสี: รอบทิศทาง
• การสูญเสียผลตอบแทน (S11): < -5 dB

เสาอากาศ ISM เซรามิกประสิทธิภาพสูงบัดกรีกับ PCB

เมื่อต้องการประสิทธิภาพที่สูงขึ้น นักออกแบบสามารถใช้เสาอากาศเซรามิก 2081420001ที่ออกแบบมาสำหรับการใช้งาน ISM โดยเฉพาะ (รูปที่ 7) เครือข่ายที่ตรงกันที่แตกต่างกันสามารถใช้ได้ในแถบความถี่สองแถบที่แตกต่างกัน 868-870MHz และ 902-928 MHz. รองรับการทำงานตั้งแต่ -40 ถึง +125 °C ขนาด 9 x 3 x 0.63 มม.

รูปที่ 7: ด้วยเครือข่ายที่ตรงกันที่แตกต่างกัน เสาอากาศเซรามิกนี้สามารถใช้ได้ในแถบความถี่สองแถบ 868-870MHz และ 902-928 MHz. (แหล่งที่มาภาพ: Molex)

ข้อกำหนดที่สำคัญบางประการ ได้แก่:

• ประสิทธิภาพ: 70% ที่ 868 MHz, 65% ที่ 902 MHz
• อัตราขยายสูงสุด: 1.5 dBi ที่ 868 MHz, 1.8 dBi ที่ 902 MHz
• รูปแบบการแผ่รังสี: รอบทิศทาง
• การสูญเสียผลตอบแทน (S11): < -10 ที่ 868 MHz, < -5 ที่ 902 MHz

บทสรุป

การเพิ่มประสิทธิภาพและการรวมเสาอากาศเข้ากับแอปพลิเคชัน LPWA ISM ซึ่งรวมถึงโปรโตคอล LoRa, Neul, SigFox, Zigbee และ Z-Wave IoT เป็นงานที่สำคัญและซับซ้อน การปรับงบประมาณลิงก์ให้เหมาะสมนั้นจำเป็นเพื่อให้แน่ใจว่าประสิทธิภาพไร้สายที่ดีและอายุการใช้งานแบตเตอรี่ยาวนาน ซึ่งรวมถึงข้อแตกต่างของข้อกำหนดการใช้งานทางไฟฟ้าจำนวนมากและการพัฒนาเครือข่ายการจับคู่อิมพีแดนซ์ที่มีประสิทธิภาพ กระบวนการคัดเลือกเสาอากาศยังต้องพิจารณาถึงสภาพแวดล้อมในการทำงานและข้อกำหนดทางกลไกและการเชื่อมต่อถึงกันของอุปกรณ์