Ulepszanie rozwiązań Internetu rzeczy (IoT) dzięki kompaktowym antenom uniwersalnym

Wybór odpowiedniej anteny może mieć kluczowe znaczenie dla pomyślnego opracowania bezprzewodowego rozwiązania Internetu rzeczy (IoT). Wybór anteny, która zapewnia wysokie parametry działania i elastyczność obsługi różnych sieci może zwiększyć komercyjną atrakcyjność rozwiązań elektronicznych.

Projektanci produktów mogą postrzegać anteny jako komponent pasywny, jednak ze względu na to, że zawierają one nowe funkcje umożliwiające wykorzystanie ekosystemów Internetu rzeczy (IoT), stają się coraz bardziej integralną częścią powodzenia rozwiązań elektronicznych. Anteny obsługujące wiele sieci bezprzewodowych mogą zapewnić krytyczną redundancję, odporność i optymalizację zasięgu, szczególnie w zastosowaniach przemysłowego Internetu rzeczy (IIoT).

Anteny muszą nie tylko obsługiwać zastosowania Wi-Fi - istnieje coraz większa potrzeba stosowania takich anten komórkowych, które zapewniają krytyczne funkcje potrzebne do pomyślnego działania Internetu rzeczy (IoT). Wydajność widmowa jest niezbędna dla przeciwdziałania zakłóceniom powodowanym przez wzrost ruchu bezprzewodowego. Kolejnym kluczowym wymogiem jest sprawność energetyczna wydłużająca czas pracy baterii. Wiele zastosowań Internetu rzeczy (IoT) musi działać w trudnych warunkach - są to np. zewnętrzne stacje ładowania, gdzie potrzebne są wytrzymałe anteny, które będą w stanie wytrzymać trudne warunki pogodowe lub akty wandalizmu.

Aby zapobiec istotnemu wpływowi fizycznych materiałów konstrukcyjnych, takich jak beton lub metal na jakość sygnału, wymagane są wysokie parametry działania anten. Czysta, wolna od zakłóceń transmisja ma coraz większe znaczenie dla uniknięcia zakłóceń i szumów sygnału, ponieważ z punktu widzenia usług bezprzewodowych bardzo istotna jest ich dostępność. Rosnące zapotrzebowanie na przemysłowe zastosowania 5G skłoni projektantów do stosowania mikrokomórek i małych ogniw w celu przezwyciężenia niezdolności sygnałów sieci 5G do przenikania przez okna i ściany.

Różne sieci sprawdzają się doskonale w określonych obszarach, więc projektanci produktów wykorzystujący bardziej wydajne anteny mogą osiągnąć większy zasięg, zarówno w pomieszczeniach, jak i na zewnątrz, zgodnie z potrzebami klientów. Co równie ważne, projektanci produktów mogą przygotować swoje rozwiązania na przyszłe wyzwania dzięki elastyczności oferowanej przez obsługę wielu sieci.

Obsługa wielu sieci umożliwia dostawcom i klientom standaryzację na podstawie jednego typu anteny w celu zapewnienia łączności w różnych środowiskach, co eliminuje potrzebę zarządzania złożonymi zapasami jak w przypadku oferowania wielu anten. Pozwala to również na agregację różnych typów łączności w celu zrównoważenia obciążenia sieci i rozłożenia ruchu danych na wiele ścieżek, aby zapobiec zatorom i zoptymalizować wydajność poprzez wybór najlepszej opcji sieci dla danego zadania. Klienci mogą wybrać najbardziej ekonomiczną sieć w oparciu o wymagania dotyczące danych, unikając korzystania z danych komórkowych, gdy wystarczająca jest sieć Wi-Fi.

Zaspokajanie potrzeb wymagających środowisk

Łączność bezprzewodowa ma często znaczenie krytyczne w szerokim zakresie środowisk, które stwarzają liczne wyzwania dla projektantów produktów.

Na przykład inteligentne fabryki wymagają niezawodnej komunikacji między zakładowymi urządzeniami, czujnikami i centralnymi systemami zarządzania, często w trudnych warunkach przemysłowych. W dużych magazynach, gdzie obok siebie istnieją sieci Wi-Fi oraz sieci komórkowe, anteny wielosieciowe mogą zapewnić bezproblemową łączność w celu śledzenia zapasów i zarządzania logistyką.

Dzięki antenom o wysokich parametrach możliwe jest rozmieszczanie czujników w odległych lokalizacjach w celu zbierania danych ze stacji pogodowych, monitorów jakości powietrza oraz śledzenia aktywów lub wdrażania zastosowań w inteligentnych budynkach. W rolnictwie mogą one dostarczać krytycznych informacji na temat wilgotności gleby, stanu plonów i działania systemów nawadniania.

Inne pojawiające się zastosowania obejmują stacje ładowania pojazdów elektrycznych komunikujące się z systemami backendowymi bez względu na pogodę, oznakowanie cyfrowe do wyświetlania komunikatów i informacji w czasie rzeczywistym, rozwiązania bezpiecznego magazynowania wymagające monitorowania i kontroli dostępu w czasie rzeczywistym oraz mobilne systemy sprzedaży biletów i informacji pasażerskiej.

Każde zastosowanie Internetu rzeczy (IoT) ma inne wymagania, a projektanci produktów muszą dostosować się do konkretnych przypadków użycia, a także wymagań dotyczących środowiska i komunikacji. Urządzenia Internetu rzeczy (IoT) działają w różnych pasmach częstotliwości, co może mieć wpływ na parametry działania. Ponadto ograniczona przestrzeń dla urządzeń może sprawić, że integracja anten bez negatywnego wpływu na inne komponenty może być trudna.

Niektóre z czynników, które należy wziąć pod uwagę przy doborze odpowiedniej anteny do zastosowania w Internecie rzeczy (IoT), to m.in. parametry działania, rozmiary, koszt i kompatybilność. Na skutek tego projektanci mogą łatwo pokusić się o integrację różnych anten w celu zaspokojenia potrzeb klientów, ale to z kolei może skutkować złożonymi problemami związanymi z obsługą i łańcuchem dostaw.

Wiele protokołów sieciowych

Protokoły niskiej mocy do sieci rozległych (LPWAN), takie jak wąskopasmowy Internet rzeczy (NB-IoT), obsługują niskie szybkości transmisji danych i wymagają niskiego poboru mocy, wysokiego zysku energetycznego oraz wysokiej sprawności w celu utrzymania stabilnej łączności na duże odległości. Wykorzystujące je rozwiązania zazwyczaj wymagają anten dookólnych o szerokiej charakterystyce promieniowania na dużych obszarach.

Z kolei protokoły Wi-Fi bliskiego zasięgu obsługują wysokie szybkości transmisji danych, ale wymagają niskiego zysku energetycznego i wysokiej sprawności, aby oszczędzać energię i unikać zakłóceń z innymi urządzeniami. Anteny powinny wtedy zapewniać wąską charakterystykę promieniowania, aby skupiać sygnał.

Protokół LTE CAT-1 komórkowego Internetu rzeczy (IoT) oferuje umiarkowane szybkości przesyłu danych i łączność komórkową o średnim zasięgu w zastosowaniach Internetu rzeczy (IoT). Protokół ten ma szerokość pasma od 1,4MHz do 20MHz i obsługuje szczytowe prędkości pobierania do 10Mbit/s oraz szczytowe prędkości wysyłania do 5Mbit/s. Zaletami wykorzystujących go rozwiązań mogą być dostępność pełnego dupleksu i niskie zapotrzebowanie na moc.

Sieć LTE CAT-M1 dąży do osiągnięcia kompromisu między szybkością transmisji danych a sprawnością energetyczną. Charakteryzuje się ona bardzo niskim zapotrzebowaniem na moc dzięki antenom obsługującym szerokość pasma 1,4MHz oraz szczytowym szybkościom wysyłania i odbierania 1Mbit/s. W wykorzystujących ją rozwiązaniach można stosować pełny lub półdupleksowy tryb pracy.

Protokół CAT-4 LTE zapewnia znacznie wyższe szybkości transmisji danych i niższą latencję w bardziej wymagających zastosowaniach Internetu rzeczy (IoT), na przykład w zastosowaniach czasu rzeczywistego. Omawiany protokół zapewnia pełny dupleks z prędkością pobierania do 150Mbit/s i wysyłania do 50Mbit/s.

Anteny uniwersalne

Firma TE Connectivity (TE) oferuje grupę wieloportowych anten VersAnte do Internetu rzeczy (IoT) w kompaktowych rozmiarach, które obsługują technologie łączności komórkowej 4G/5G, Wi-Fi i globalnego systemu nawigacji satelitarnej (GNSS). Dzięki integracji różnych protokołów komunikacyjnych w jednej antenie, inżynierowie mogą uprościć swoje projekty.

W przeciwieństwie do anten, które do zapewnienia optymalnych parametrów działania wymagają określonej przeciwwagi, omawiane anteny są niezależne od takiej przeciwwagi i mogą być montowane na powierzchniach metalowych lub niemetalowych, co pozwala projektantom na umieszczenie ich w miejscach, które umożliwią korzystną optymalizację odbioru sygnału. Kopuły tych anten można malować przy użyciu powszechnie dostępnych, niemetalicznych farb w sprayu.

Anteny VersAnte firmy TE zapewniają dookólne pokrycie 360°, co ogranicza potrzebę aktywacji ponownych transmisji w przypadku słabych sygnałów, które mogą powodować utratę mocy. Charakteryzujące je wzmocnienie i pobór mocy są zrównoważone, co przyczynia się do optymalizacji ogólnych parametrów działania.

Kompaktowość omawianych anten sprawia, że bezproblemowo mieszczą się one w ciasnych przestrzeniach, a więc idealnie sprawdzają się w rozwiązaniach o ograniczonej przestrzeni. Przykładami mogą być małe punkty końcowe Internetu rzeczy (IoT), wyświetlacze cyfrowe i stacje ładowania pojazdów elektrycznych. Anteny te są wzmocnione, aby zapewnić niezawodne działanie w trudnych warunkach i zmniejszyć podatność na uszkodzenia w wyniku aktów wandalizmu lub czynników środowiskowych.

VersAnte L000321-01 (ilustracja 1) to 3-portowa, niskoprofilowa antena w kształcie krążka. Zapewnia ona obsługę sieci komórkowych 4G/5G, Wi-Fi oraz globalnego systemu nawigacji satelitarnej (GNSS), zaspokajając potrzeby szeregu rozwiązań, od punktów końcowych Internetu rzeczy (IoT), przez inteligentne terminale, po cyfrowe oznakowanie. Dzięki wysokości 26,00mm (1,024”) i średnicy 90,2mm (3,55”), zapewnia wysokie parametry działania przy bardzo małej zajmowanej powierzchni.

Ilustracja 1: antena komórkowa w kształcie krążka VersaAnte L000321-01. (Źródło ilustracji: TE Connectivity)

Firma TE oferuje również anteny kopułkowe 2-portowe L000322-01 i 3-portowe L000322-02 (ilustracja 2). Każda z nich posiada dwa porty komórkowe 4G/5G i opcjonalny port globalnego systemu nawigacji satelitarnej (GNSS). Wymiary poszczególnych wariantów to 150 x 1,77 x 1,97mm (5,90 x 1,77 x 1,97”).

Ilustracja 2: wygląd anten VersAnte L000322-01 oraz L000322-02. (Źródło ilustracji: TE Connectivity)

Podsumowanie

Rosnące zapotrzebowanie na nowe zastosowania bezprzewodowe stwarza projektantom możliwości integracji wielu technologii komunikacyjnych w swoich produktach. Anteny VersaAnte firmy TE Connectivity są uniwersalne i wytrzymałe, obsługują wiele technologii bezprzewodowych oraz posiadają kompaktową niskoprofilową konstrukcję. Zdolność do pracy zarówno na powierzchniach metalowych, jak i niemetalowych, w połączeniu z klasą ochrony IP67 i IP69K sprawia, że idealnie sprawdzają się w szerokim zakresie zastosowań Internetu rzeczy (IoT) zarówno wewnątrz, jak i na zewnątrz budynków, które wymagają niezawodnej i wysokowydajnej łączności.