Minden, amit az IoT antennákról tudnod kell: alapelvek
Bevezetés
Mindannyian tanúi voltunk az IoT kifejezés köztudatba való beépülésének az utóbbi években, azonban kevesen vannak tisztában, hogy mit is jelent maga a rövidítés és hogy milyen, a mindennapokban is alkalmazható előnyökkel rendelkezi. IoT, vagyis az Internet of Things technológia célja, hogy biztosítja az eszközök vezeték nélküli csatlakoztatását, így a fejlett intelligens megoldások könnyen elérhetővé válnak. A vezetékes kapcsolatok egyre inkább kiszorulnak a gyakorlatból, így előbb-utóbb új és hatékony berendezéseket kell használnunk az eszközök egymáshoz csatlakoztatására.
A RAKwireless a legmodernebb vezeték nélküli technológiákat alkalmazó IoT-megoldásokra specializálódott. A cég kiváló minőségű termékeket fejleszt, kiemelt figyelmet fordítanak az antennák tervezésére, mivel ezek minden vezeték nélküli rendszer szerves részét képezik, és teljesítményük befolyásolja a kommunikáció minőségét.
Legtöbbünk bele sem gondol abba, hogy az eszközök, amelyekkel kapcsolatba kerülünk vagy amelyek a mindennapi életünkhöz szükséges szolgáltatásokat biztosítják, milyen sok antennával rendelkeznek. A mobil állomások, routerek, okostévék, mobiltelefonok mindannyiunk életének a részei. Az antennák kulcsfontosságú szerepet töltenek be az eszközök közötti vezeték nélküli adatátvitelben, és éppen ezért kiemelten fontos helyet foglalnak el a RAKwireless termék katalógusában is.
A LoRa® antennák, Wi-Fi antennák és mobil antennák a leggyakrabban használt típusok az IoT-ben, és ezek közül egy, de akár több is megtalálható bármelyik végponti eszközben vagy hálózati átjáróban. A számuk, minőségük és elhelyezkedésük meghatározó a kommunikáció szempontjából.
Vegyük például a Hélium hálózatot. Ez az eddigi legnagyobb peer-to-peer IoT-hálózat, amelyben világszerte megközelítőleg 1 millió átjáró található. Példátlan lefedettséget biztosít, hotspotjai hihetetlenül nagy hatótávolságúak, a Long-Fi (a LoRaWAN® protokoll egyik változata) és jó minőségű kültéri LoRa antennák használatának köszönhetően, amelyek nagy része a RAKwirelesstől származik. Ezek a Helium Hotspotok nagyon hasonlítanak a manapság mindenki által használt otthoni Wi-Fi routerekre, de okos átviteli mechanikát és speciális LoRa® antennákat használnak, ami sűrűn lakott városokban 1-2 km-től 10-100 km-ig terjedő hatótávolságot eredményez nyílt területeken.
A rövid bevezető után következzen egy részletes leírás az antennákról, ami megkönnyíti a választást, hogy az igényeinek leginkább megfelelő antennát választhassa. A cikk célja, hogy bemutassa az antennák működésének alapelvét, útmutatást adjon a GPS, a mobilinternet és LoRaWAN® rendszerekben használt antenna típusokról és összehasonlítja az elérhető antennákat.
Antenna - útmutató a kiválasztáshoz, pozicionáláshoz és mindenhez, amit tudni érdemes az antennákról
Műszaki jellemzők
Ahhoz, hogy a technikai részleteket megértsük, először tisztázzuk az antennákkal kapcsolatos kulcsfogalmakat és kifejezéseket. Az antennák jelátvitelének (sugárzásának) alapvető megértéséhez először is érdemes a Napra gondolni: egy rendkívül hatékony fényforrás, minden irányba sugároz energiát. Ez talán a leginkább hasonló objektum egy izotróp antennához, ami egy olyan elméleti kifejezés, amely minden irányban egyformán sugárzó antennát ír le. Fontos tudni, hogy ilyen antenna nem létezik, mert a fizikai világ szabályai megakadályozzák, hogy a jel a kívánt egységes módon terjedjen. A legfontosabb kifejezések, amelyekkel tisztában kell lenni, a következők:
-
Irányítottság: Most, hogy tudjuk, hogy izotróp antennák a gyakorlatban nem léteznek, tisztában kell lennünk azzal is, hogy minden antenna rendelkezik bizonyos jellemzőkkel, amelyek mérik, hogy milyen irányban sugároznak hatékonyan. Az irányítottság azt méri, hogy a kibocsátott sugárzás milyen mértékben koncentrálódik egyetlen irányba (ellentétben a minden irányban egyformán sugárzó, úgynevezett omnidirekcionális antennával). Az izotróp antennához az irányítottság szempontjából a leghasonlóbb a dipólantennák által biztosított, fánkszerű sugárzási mintázat. Ez a minta az omnidirekcionális minta és alább látható.
-
Nyereség: Bár megállapítottuk, hogy nem tudunk izotróp antennát építeni, ha mégis megpróbálnánk egyet építeni, az általunk épített antennát befolyásolnák a fizika törvényei, így olyan antennát kapnánkk, amely bizonyos irányokban több energiát sugároz az izotróp antennához képest. Ezt az energia különbséget dBi-ben mérik, és nyereségnek hívják, a dBi tehát az „izotróphoz viszonyított decibeleket” jelenti.
-
Bemeneti impedancia: Az antennákat általában kábelen keresztül csatlakoztatjuk, viszont minden kábelnek van bizonyos mérhető impedanciája. Az impedancia az a teljes ellenállás, amelyet a kábel a rajta áthaladó elektromos árammal szemben mutat. Különféle kábelek léteznek, de az IoT-alkalmazásokban használt kábelek szabványos impedanciája 50 Ohm. Az antennák fő célja, hogy a teljes teljesítményt és energiát továbbítsák, ezért is kell hozzájuk illeszkedő impedanciát 50 Ohm-on mérni (a két eszköz közötti teljesítmény átvitel akkor a leghatékonyabb, ha az impedanciáik pontosan megegyeznek)
-
VSWR: A kábelek és az antennák nem tökéletesek, minimális eltérés mindig tapasztalható a szabványos impedanciáik között, így a jel egy része ahelyett, hogy továbbítódna, visszaverődik. Ez a visszatérési veszteség vagy másik nevén reflexiós veszteség. Ez egy gyakori jelenség, a fizikai törvényei lehetetlenné teszik a jelátvitel tökéletességét. Az említett veszteséget, az úgynevezett feszültség állóhullám-arány (VSWR) mérik. A tökéletes VSWR értéke 1, a magasabb értékek nagyobb teljesítmény veszteséget jelentenek, de a reálisan elvárható értékek általában 2, 2,5 és 3, a 2 alatti értékek pedig a minőségi antennát jellemzői.
-
Polarizáció: Az antennáktól távolodó jelnek van egy meghatározott általános iránya, amely egy bizonyos lefedettségi mezővé válik. A polarizáció az antennából kisugárzott energia által keltett elektromágneses mező iránya. Ha az átvitt jelnek nem kell elhagynia a földi légkört, akkor az antennát úgy kell megépíteni, hogy lineáris polarizációja legyen. Lineáris polarizációt használunk a LoRa® és a mobil kommunikációhoz, ezen belül is az úgynevezett vertikális polarizációt alkalmazzuk (mindemellett horizontális polarizációt használó rendszerek is léteznek). Ha az Ön által sugárzott jelnek el kell hagynia a légkört, akkor az antennának körkörös polarizációt kell létrehoznia. A GPS-antennák kifejezetten körkörös polarizációjú antennák, hiszen műholdakkal kommunikálnak.
-
Nyalábszélesség: Nyalábszélességnek nevezzük azt a szöget és mérhető területet, ahonnan az antenna csúcsteljesítményének nagy része kisugárzik. Fokokban mérik, és az antenna fizikai jellemzőitől függően változhat. A dipól antenna vízszintes nyalábszélessége 360 fok, ezért egy teljes fordulatot fed le (alább lásd az irányítással foglalkozó részt), azonban nem minden antenna egyforma, ezért gyakori, hogy más antennák nem rendelkeznek 360 fokos nyalábszélességgel.
-
Hatékonyság: Az antenna hatékonyságának az antenna által kisugárzott teljesítmény és az antenna tápellátásának arányát nevezzük. Általában visszhangmentes kamrában mérik, ahol az antenna bemeneti teljesítményt kap, és a környező térben kisugárzott elektromágneses tér erősségét mérik, hogy átfogó eredményt kapjanak.
A fentieken kívül fontos szem előtt tartani az antenna elhelyezésének szerepét és a kiválasztott antenna sajátosságait. A következőkben erről a két témáról lesz szó.
Az antennák felszerelése és pozicionálása
Ha ezt a cikket olvasod, valószínűleg a telefonod antennáját használod az internetkapcsolat fogadásához. Az is lehet, hogy a laptopod, táblagéped vagy asztali géped Wi-Fi képességeit és a hozzá tartozó vezeték nélküli kártyákat használod, melyek mindegyike tartalmaz antennát. Ha mobil hálózaton keresztül kapcsolódsz, akkor az adatátvitel és továbbítás csak a tetőkre felszerelt nagy antennák miatt lehetséges.
Az új vezeték nélküli IoT technológiák és hálózatok, mint például a LoRa® és LoRaWAN®, nagyon erősen támaszkodnak a modern, magas teljesítményű antennák használatára, mivel ez természetesen növeli képességeik hatótávolságát is.
A LoRaWAN hálózat protokoll globális lefedettsége jelentős, ezért nagyon gyakran használják az IoT rendszerekben. Ennek a protokollnak a célja, hogy stabil és biztonságos vezeték nélküli kommunikációt hozzon létre a hálózati átjárók és végfelhasználói eszközök között. Az antennák kulcsfontosságúak a továbbítás hatótávolságának szempontjából, ezért nagyon fontos, hogy optimálisan működjenek, ezért mindig figyelembe kell venni az alábbiakat, amikor ilyen alkalmazásokhoz antennát választunk.
-
Hová lesz telepítve az antenna?
Az IoT projektek fejlesztésekor fontos tudni, hogy az antennát hová fogják telepíteni, mert léteznek beltéri és kültéri használatra tervezett antennák. Tegyük fel, hogy egy olyan IoT rendszert tervez, amivel kontrollálható egy iroda hozzáférhetősége. Ebben az esetben nincs szükség vízálló vagy magas nyereségű antennára, mert egy beltéri antennának elegendő nyeresége van a megfelelő lefedettség biztosításához, és nincs szükség az időjárástól való védelemre sem.
-
Földrajzi régió
Az antennák általában egy adott frekvencián vagy egy frekvencia tartományoban dolgoznak optimálisan. A LoRaWAN® különböző frekvenciasávokat használ különböző régiókban (ezeket országok szabályozzák). Nem lehetséges olyan antennát létrehozni, amely a LoRaWAN® teljes spektrumát fedni tudja, és még hatékony is legyen. Így az antennák modelljei az adott régióban használatos sávhoz vannak hangolva, ezért ellenőrizd, hogy melyik sávot használják az országodban a hivatalos LoRa Alliance® dokumentációban. Használhatod a The Things Network által létrehozott alábbi táblázatot is.
-
Az antenna mérete
Az általános szabály szerint az antenna hossza fordítottan arányos a frekvenciával, és közvetlenül arányos a hullámhosszal, amelyen működik. Egyszerűen fogalmazva, ez azt jelenti, hogy minél magasabb a cél frekvencia és minél rövidebb a hullámhossz, annál rövidebb lehet az antenna fizikai mérete. Néhány esetben az antennák méretei eltérhetnek ettől az általános meghatározástól. Azonban ha az cél, hogy a jelet a fizikai térben messzebbre akarjuk eljuttatni a hatékony kommunikáció érdekében, mindenképp meg kell fontolni a nagyobb és magasabb antennák alkalmazását.
Ez az utolsó információ lezárja a részt, amely meghatározza a legfontosabb jellemzőket, amelyekre az antenna kiválasztásakor összpontosítani kell.
Így tehát összefoglaltuk azokat a legfontosabb jellemzőket, amit érdemes figyelembe venni a feladathoz szükséges antenna kiválasztásakor.
A következő részben végigvesszük azokat az antenna típusokat, amelyek közül választhatunk.
-
Milyen antennára van szükség?
Az eddigi cikk olvasása után biztos lehetsz benne, hogy most már sokat tudsz az antennákról. Ezzel együtt most készen állsz, hogy áttekints és választhass közülük a legelterjedtebb jelenleg használt antenna típusok közül:
Miután elolvastad ezt a cikket, egészen biztosan állíthatjuk, hogy sok információval rendelkezel az antennákról. Alább következzenek azok a manapság legelterjedtebb antenna típusok, amik közül választhatsz:
