در بحث آنتن‌های UHF (فرکانس فوق‌العاده بالا) و ماکروویو (به خصوص در آنتن‌های چندبانده اینترنت اشیا)، شناخت ویژگی‌های مهم آن‌ها و چالش‌های فنی که مهندسان برای کوچک‌تر کردن آنتن‌ها با آن‌ها روبرو هستند، از ضروریات محسوب می‌شوند.
همان‌طور که گفتیم یکی از مهم‌ترین چالش‌ها در این حوزه، کوچک‌تر کردن اندازه آنتن‌ها است، زیرا دستگاه‌های IoT معمولاً باید جمع‌وجور و قابل‌حمل باشند؛ اما کاهش اندازه آنتن ممکن است بر پهنای باند آن تأثیر منفی بگذارد. این مشکل در آنتن‌های چندبانده پیچیده‌تر می‌شود، چرا که آنتن باید در چندین فرکانس به‌طور هم‌زمان کار کند.
طول موج آنتن‌های UHF که در بازه 300 مگاهرتز تا 3 گیگاهرتز کار می‌کنند، از 1 متر تا 10 سانتی‌متر است. آنتن‌های UHF انواع مختلفی دارند که برخی از رایج‌ترین آن‌ها عبارت‌اند از:
- آنتن شلاقی (Whip antennas)
- آنتن دوقطبی‌های روکش‌دار (Sleeve dipoles)
- آنتن‌های تخت معکوس (F PIFA)
در حالی که بسیاری از دستگاه‌های بی‌سیم اینترنت اشیا (IoT) در محدوده زیر 3 گیگاهرتز کار می‌کنند، برخی ممکن است نیاز به شبکه‌های Wi-Fi در محدوده 5 گیگاهرتز یا شبکه‌های 5G موج میلی‌متری داشته باشند که آن‌ها را به طیف دیگری یعنی ماکروویو منتقل می‌کند.
وقتی صحبت از کوچک‌تر شدن آنتن‌های IoT می‌شود، با چالش‌های متعددی روبه‌رو می‌شویم. یکی از مهم‌ترین آن‌ها، کاهش بازدهی آنتن است. با کوچک‌تر کردن آنتن، ممکن است اتلاف انرژی افزایش یابد که این خود باعث افت کیفیت ارسال و دریافت سیگنال می‌شود و بر برد و عمر باتری نیز تأثیر می‌گذارد. علاوه بر این کوچک‌تر کردن ابعاد معمولاً موجب محدود شدن پهنای باند و کاهش دامنه فرکانسی که آنتن در آن عملکرد بهینه‌ای دارد، می‌شود.
بین اندازه آنتن و دامنه فرکانس آن، یک ارتباط وجود دارد. دستیابی به تطبیق صحیح با فرستنده و گیرنده بسیار حیاتی است تا از بازتاب سیگنال جلوگیری شود؛ بازتاب‌هایی که می‌توانند باعث ایجاد امواج ایستا شوند و به تقویت‌کننده‌های توان فرستنده آسیب برسانند. تطبیق نامناسب همچنین به دلیل تلفات ناشی از عدم تطبیق، باعث کاهش توان تابشی مؤثر (ERP) و قدرت سیگنال دریافت شده می‌شود. با کاهش اندازه آنتن، تطبیق امپدانس دشوارتر می‌شود.
کوچک‌تر کردن آنتن معمولاً دامنه فرکانس را محدود می‌کند. دلیل این است که آنتن‌های کوچک‌تر تمایل دارند در یک فرکانس خاص یا باند باریک‌تری نسبت به آنتن‌های بزرگ‌تر عمل کنند. این محدودیت در آنتن‌های چندبانده مشکل‌ساز می‌شود. از سوی دیگر اگر آنتن و فرستنده/گیرنده با هم سازگار نباشند (اصطلاحاً مچ نباشند)، بخشی از سیگنال ارسال‌شده به فرستنده برمی‌گردد و امواج ایستا ایجاد می‌شود. این پدیده نه تنها کارایی سیستم را کاهش می‌دهد که باعث آسیب به تجهیزات الکترونیکی، مانند تقویت‌کننده‌های توان هم می‌شود. عدم تطبیق امپدانس منجر به اتلاف سیگنال می‌شود.
در نتیجه توان تابشی (ERP) کمتری از آنتن منتقل می‌شود و قدرت سیگنال دریافتی نیز کاهش می‌یابد. به عبارتی این مشکل بر برد ارتباط و کیفیت سیگنال اثر منفی خواهد داشت. کوچک شدن اندازه آنتن باعث افزایش مقاومت تشعشعی و تغییر امپدانس می‌شود، در نتیجه تطبیق امپدانس با سیستم الکترونیکی دشوارتر می‌شود.
وقتی نیاز باشد که آنتن‌های کوچک در چند باند فرکانسی کار کنند، چالش‌ها بیشتر هم می‌شوند. اضافه کردن ساختارهای رزونانس متعدد یا استفاده از تکنیک‌های پهنای باند برای پوشش دهی باندهای فرکانسی مختلف، پیچیدگی آنتن‌ها را افزایش می‌دهند. دستیابی به عملکرد مناسب در تمام باندهای فرکانسی چالش‌برانگیز است. ممکن است برای بهینه‌سازی یکی از ویژگی‌ها نیاز باشد بازدهی یا پهنای باند در باندهای دیگر را کاهش دهیم. تداخل بین باندهای فرکانسی مختلف و کوپلینگ بین المان‌های آنتن در طراحی آنتن‌های چندبانده، از مشکلات بسیار مهم هستند. این عوامل در صورت مدیریت نادرست، عملکرد کلی را به شدت کاهش می‌دهند. علاوه بر این زمانی که فاصله بین باندهای فرکانسی زیاد باشد (مثلاً یک باند در فرکانس پایین و دیگری در امواج میلی‌متری)، طراحی یک آنتن کوچک که بتواند هر دو را به‌خوبی پوشش دهد، بسیار دشوار خواهد بود.
رویکرد جدید در طراحی آنتن‌های IoT
برای مقابله با چالش‌های مطرح‌شده، مهندسان در حال بررسی استفاده از متامتریال‌ها و ساختارهای فرکتالی هستند تا محدوده عملکرد آنتن‌های کوچک را گسترش دهند. از شبکه‌های تطبیق پیشرفته نیز می‌توان برای بهبود عملکرد در چند باند فرکانسی به استفاده کرد. علاوه بر این، برای پیدا کردن بهترین طراحی ممکن (با توجه به محدودیت‌ها)، از محاسبات الکترومغناطیسی و الگوریتم‌های بهینه‌سازی استفاده می‌شود.
در این میان فناوری تقویت آنتن که به‌صورت تجاری با نام فناوری آنتن مجازی (Virtual Antenna®) شناخته می‌شود، پیشرفت قابل‌توجهی در طراحی آنتن دستگاه‌های بی‌سیم، به ویژه در حوزه IoT، به شمار می‌رود. این فناوری نوآورانه توسط دو محقق به نام‌های «جاوم آنگوئرا» و «آئورا آندوجار» ابداع و اولین بار در سال 2010 هنگام درخواست ثبت اختراع و انتشار مقالات علم در این زمینه معرفی شد. این فناوری به حل چالش‌های طراحی آنتن‌های کوچک، کارآمد و چندمنظوره برای دستگاه‌های کوچک پرداخت و در سال‌های اخیر به طور گسترده مورد استفاده قرار گرفته است.
شکل 1: استفاده از فناوری تقویت آنتن غیر رزونانسی، اندازه، هزینه و پیچیدگی سیستم‌ها را کاهش می‌دهد.
هسته اصلی این فناوری از اجزای کوچک و غیر رزونانسی است که معمولاً با نام تقویت‌کننده‌های آنتن (Antenna Boosters) شناخته می‌شوند. نحوه کار این تقویت‌کننده‌ها به شرح زیر است:
تقویت‌کننده‌های آنتن برخلاف اسمشان، اجزای فعالی نیستند. این قطعات در واقع تراشه‌های غیرفعالی هستند که می‌توانند به کوچکی 3*2*0.8 میلی‌متر باشند و روی سطح دستگاه بی‌سیم نصب شوند. این تراشه‌ها روی صفحه زمین (ground plane) دستگاه قرار می‌گیرند، یعنی جایی که مودهای تشعشعی تحریک و تقویت می‌شوند. هدف این است که صفحه زمین به عنصر اصلی تابش کننده یعنی یک آنتن تبدیل شود.
یک شبکه تطبیق هم برای تنظیم امپدانس استفاده می‌شود تا به بازدهی و پاسخ فرکانسی مورد نظر برسیم. به این صورت آنتن می‌تواند در یک یا چند باند عملکرد خوبی داشته باشد. در این سیستم تقویت‌کننده، آنتن را به‌عنوان یک جعبه امپدانس (impedance box) در نظر می‌گیرد و در نتیجه طراحی از بهینه‌سازی هندسی آنتن به طراحی مبتنی بر تطبیق امپدانس تغییر خواهد کرد.
مهندسان این امکان را دارند که محل تقویت‌کننده‌ها را برای بهینه‌سازی عملکرد آنتن‌ها در فضای کوچک تنظیم کنند. مهندسان می‌توانند از نرم‌افزارهای تخصصی طراحی ماکروویو و شبیه‌سازی مانند CST Studio Suite یا Keysight ADS برای طراحی و بهینه‌سازی شبکه تطبیق استفاده کنند. این ابزارها زمان طراحی را کاهش می‌دهند و به علاوه تأثیر تغییر محل یا مشخصات تقویت‌کننده را در عملکرد کلی بررسی می‌کنند.
شکل 2: شبکه تطبیق رادیو را به تقویت کننده آنتن متصل می‌کند.
از مزایای کلیدی استفاده از فناوری تقویت‌کننده‌های آنتن در طراحی آنتن‌های IoT می‌توان به این موارد اشاره کرد: طراحی‌های سریع‌تر، عملکرد در چند بانده مختلف و طراحی دستگاه‌های کوچک و فشرده.
چرا تقویت‌کننده‌های آنتن محبوبیت شده‌اند؟
تقویت‌کننده‌های آنتن که شرکت Ignion (مبتکر این فناوری) آن‌ها را با نام تجاری آنتن مجازی® (Virtual Antenna®) معرفی کرده است، توسط شرکت‌های بزرگ و فعال صنعت IoT مورد استقبال قرار گرفته‌اند. دلیل اصلی این محبوبیت را می‌توان طبق فرکانسی گسترده این فناوری دانست. از یک تقویت‌کننده آنتن می‌توان در چندین باند فرکانسی (از 0.4 تا 10.4 گیگاهرتز) دستگاه‌هایی با اندازه‌های مختلف استفاده کرد. اندازه این تقویت‌کننده‌ها ممکن است بسیار کوچک باشند (مثلاً λ/70 در 824 مگاهرتز) که این برای دستگاه‌های IoT کوچک، مزیت بزرگی محسوب می‌شود. این تقویت‌کننده‌ها به‌صورت قطعات آماده استفاده (off-the-shelf) و قابل‌نصب روی سطوح (surface-mount) طراحی‌شده‌اند و با فرایندهای تولید انبوه با ماشین‌های pick-and-place کاملاً سازگار هستند.
طراحان می‌توانند پاسخ فرکانسی را با تنظیم شبکه تطبیق و بدون نیاز به تغییر آنتن، تغییر دهند. استفاده از ابزارهای پیشرفته برای سنتز شبکه تطبیق، طراحی آنتن را سریع‌تر و ساده‌تر می‌کند و بنابراین نیازی به طراحی هندسه پیچیده ندارد، همان‌طور که در شکل 2 نشان داده شده است.
شکل 3: زمانی که محصولات اینترنت اشیا به بازار می‌رسند، بسیاری حیاتی است. فناوری Virtual Antenna® یکی از راه‌هایی است که این زمان را به طور قابل‌توجهی کاهش می‌دهد.
چگونه یک تقویت‌کننده آنتن با سه پورت انعطاف‌پذیری را در طراحی افزایش می‌دهد؟
تاکنون، اکثر تقویت‌کننده‌های آنتن تنها از عملکرد تک بانده یا دو بانده پشتیبانی می‌کردند. با این حال، شرکت Ignion اخیراً یک قطعه دارای 3 پورت معرفی کرده که می‌توان آن را بخشی از مجموعه فناوری آنتن مجازی® همین شرکت دانست. این محصول که OMNIA mXTEND™ نام دارد، از چندین فناوری ارتباطی مختلف مثل ارتباطات سلولی (Cellular)، GNSS (مکان‌یابی ماهواره‌ای) و Wi-Fi/BLE (بلوتوث کم انرژی) پشتیبانی می‌کند. ابعاد این قطعه کوچک در حدود 44.1×14.6×1.0 میلی‌متر است.
این قطعه به‌صورت هم‌زمان از بازه‌های فرکانسی 617 مگاهرتز تا 960 مگاهرتز و 1,710 مگاهرتز تا 2,690 مگاهرتز در ارتباطات سلولی، بازه‌های فرکانسی 1,561 مگاهرتز تا 1,606 مگاهرتز برای GNSS و بازه‌های فرکانسی 2,400 مگاهرتز تا 2,485 مگاهرتز برای Wi-Fi/BLE پشتیبانی می‌کند و عملکرد آن در بازه 400 مگاهرتز تا 8,000 مگاهرتز است. وجود سه پورت در یک آنتن، استفاده از آن را در دستگاه‌های کوچک IoT ساده‌تر می‌کند، هزینه کلی مصالح کاهش می‌یابد و نیاز به نگهداری را کم می‌کند.
شکل 4: در قسمت بالا و سمت چپ این بورد که سه پورت دارد، OMNIA را در قالب یک سیستم رادیویی می‌بینید.
OMNIA mXTEND™ کاربردهای مختلفی دارد که از جمله آن‌ها می‌توان به این موارد اشاره کرد:
- ردیابی و لجستیک: برای مکان‌یابی و مدیریت زنجیره تأمین
- تلماتیک خودرو: برای ارتباط خودرو با محیط (V2X) و مکان‌یابی
- کنتورهای هوشمند: در سیستم‌های اندازه‌گیری پیشرفته انرژی
- صنعت اینترنت اشیا (IIoT): برای نظارت و کنترل دستگاه‌های صنعتی متصل به شبکه
نحوه نصب تقویت‌کننده‌های آنتن در یک دستگاه
برای بهینه‌سازی عملکرد، باید تقویت‌کننده‌های آنتن را در مراحل اولیه طراحی بورد مدار چاپی (PCB) در نظر گرفت. معمولاً بهترین جا برای قرار دادن این قطعات در گوشه صفحه زمین بورد است، به‌ویژه زمانی که افزایش پهنای باند مهم باشد. اگر این موضوع اهمیت نداشته باشد، محل قرارگیری آن‌ها چندان دارای اهمیت نیست.
مرحله بعدی طراحی شبکه تطبیق است که می‌توان کار را با استفاده از شبیه‌سازهای مدار ماکروویو استاندارد صنعتی خودکار انجام داد. از این رو لزومی ندارد مهندسان در طراحی آنتن مهارت خاصی داشته باشند، در عوض باید به طراحی مدار RF مسلط باشند.
مرحله نهایی، آزمایش نسبت موج ایستاده ولتاژ (VSWR) و کارایی آنتن است. معمولاً VSWR کمتر از 3:1 قابل قبول است، اما این پارامتر تنها چیزی نیست که باید در نظر گرفته شود، زیرا ممکن است در شبکه تطبیق یا به دلیل جذب سیگنال توسط اجزا اتلاف انرژی وجود داشته باشد.
کارایی آنتن‌های OMNIA در باندهای مختلف مطلوب است (%55). در یک بازه خاص مثل بازه 1,561 – 1,606 مگاهرتز، کارایی به بالای %75 می‌رسد.
پلتفرم طراحی یکپارچه آنتن مبتنی بر هوش مصنوعی Ignion به نام Oxion™، امکان طراحی سریع و آزمایش‌های آنی را برای مهندسان فراهم می‌کند. همچنین از طریق رابط ساده‌ای که برای انتخاب قطعات و تنظیمات وجود دارد، فرآیند طراحی و بهینه‌سازی را تسهیل می‌کند.
تطبیق‌پذیری آنتن‌های مجازی با تغییرات حوزه اینترنت اشیاء
فناوری Virtual Antenna® به خوبی می‌تواند با تغییرات صنعت IoT از جمله نیاز به دستگاه‌های کوچک‌تر، مصرف انرژی بهینه و عملکرد در فرکانس‌های بالاتر برای انتقال داده‌های سریع‌تر؛ سازگار شود. قابل ذکر است که این فناوری از تکنولوژی MIMO و پروتکل‌های بی‌سیم نیز پشتیبانی می‌کند.
منبع : embedded
