Технические характеристики антенных решений для IoT-устройств

Интернет вещей (IoT) становится неотъемлемой частью современных технологий, соединяя миллиарды устройств для обмена данными в реальном времени. Одним из ключевых элементов успешной работы IoT-устройств являются антенны, обеспечивающие надежную и энергоэффективную беспроводную связь. Рассмотрим технические характеристики антенных решений, которые оптимально подходят для задач интернета вещей.

Антенны для IoT устройств

Антенны для IoT устройств играют роль критически важного компонента, отвечающего за прием и передачу радиосигналов в различных стандартах связи, таких как LoRa, NB-IoT, ZigBee, Wi-Fi и LTE-M. Они обеспечивают стабильное соединение на больших расстояниях при минимальном энергопотреблении — своеобразный баланс между компактностью и эффективностью.

Требования к антенным решениям для интернета вещей отличны от традиционных: IoT-устройства часто работают в ограниченном пространстве, имеют низкое энергопотребление и должны функционировать в разнообразных условиях — от температуры -40°C до +85°C и выше. Поэтому дизайн и выбор антенн для IoT устройств строго зависят от места установки, специфики передачи данных и радиочастоты.

Основные функциональные задачи антенны в IoT включают универсальность, возможность интеграции в компактный корпус и соответствие регуляторным нормам по радиочастотному излучению (например, ГОСТ Р 58990-2020 для РФ, ETSI EN 300 220 в Европе, FCC Part 15 в США).

Основные типы антенн для IoT-устройств и их применение

Выбор типа антенны для IoT определяется частотным диапазоном работы и условиями эксплуатации. Рассмотрим ключевые типы:

• Печатные (PCB) антенны: компактные, интегрируются в плату устройства. Размер обычно от 10×5 мм до 30×10 мм, частоты от 800 МГц до 2.4 ГГц. Широко применяются в ZigBee и Wi-Fi модулях. Преимущество — низкая стоимость и простота производства.
• Монопольные антенны: цилиндрические, длина примерно четверть длины волны (например, для 900 МГц ~ 8.3 см). Часто используется в LoRa и NB-IoT. Обеспечивают хорошее направление и дальность.
• Петлевые антенны (loop antennas): радиус 10–15 мм, хороши для приложений с низким энергопотреблением и небольшими размерами, устойчивы к помехам.
• Патч-антенны: плоские, частоты от 2.4 ГГц и выше, размер ~20×20 мм. Идеальны для устройств с требованием направленного излучения и высокой плотности монтажа, например в Wi-Fi и BLE.
• Антенны для IoT с технологией LoRa: часто комбинируют монопольный тип с высокой усилительной способностью (до 3-5 dBi), что обеспечивает дальность передачи до 15 км в условиях открытой местности.

Например, популярная антенна PCB размером 15×8 мм для частоты 2.4 ГГц имеет коэффициент усиления ~2 dBi и ширину полосы около 100 МГц, что достаточно для стабильной передачи данных в бытовых условиях.

Ключевые технические характеристики антенн для интернета вещей

Технические характеристики антенн для интернета вещей — это параметры, которые максимально влияют на качество связи и энергоэффективность устройства. К ним относятся:

• Коэффициент усиления (Gain): измеряется в децибелах относительно изотропного излучателя (dBi). Для IoT-устройств типичные значения лежат в диапазоне от 0 dBi (универсальные антенны) до 5 dBi (направленные антенны для LoRa и NB-IoT), что влияет на дальность связи.
• Коэффициент стоячей волны (VSWR): оптимальные антенны имеют VSWR ≤ 2.0, что минимизирует отражение сигнала и потери. Например, антенны LoRa требуют VSWR не выше 1.5 для стабильной работы на дальних расстояниях.
• Диапазон рабочих частот: для IoT устройств используются полосы 433 МГц, 868/915 МГц (LoRa), 2.4 ГГц (Wi-Fi, ZigBee). Широкополосные антенны обеспечивают больший диапазон, но с меньшим усилением.
• Импеданс: стандартное значение 50 Ом для соответствия базовым радиотехническим параметрам и согласованию с трансивером.
• Форма диаграммы направленности: может быть всенаправленной (например, для сотовой связи) или направленной (например, патч-антенны для точечных соединений). Всенаправленные антенны обеспечивают угол охвата до 360°, что удобно для динамичных систем с изменяющимся положением IoT-устройства.
• Размер и масса: немаловажные параметры, особенно при жестких ограничениях по весу и габаритам. Антенны обычно весят до 5 г и имеют размеры в пределах нескольких сантиметров, чтобы вписаться в компактные корпуса.
• Температурный диапазон эксплуатации: IoT устройства применяются как в бытовых условиях, так и во внешней среде, поэтому для антенн критично рабочее окно от -40°C до +85°C, с возможностью кратковременного воздействия до +105°C.

Например, согласно исследованию компании Taoglas, антенна с коэффициентом усиления 3 dBi в диапазоне 868 МГц с VSWR равным 1.4 обеспечивает оптимальный баланс дальности до 10 км и стабильности сигнала в условиях городской застройки.

Особенности проектирования антенн с учетом ограничений IoT-устройств

Технические характеристики IoT устройств, как правило, накладывают жесткие ограничения на размеры, энергоэффективность и стоимость компонентов, в том числе антенн.

Разработка антенны для IoT требует комплексного подхода, учитывающего:

• Миниатюризация: ограниченный объем устройств (<50×50×20 мм в среднем) требует использования печатных или встроенных антенн с размерами порядка 10–30 мм.
• Энергоэффективность: антенна должна иметь минимальные потери, так как IoT-устройства часто работают от батарей с ресурсоемкостью от 1 года и более (например, одно устройство ZigBee с батареей CR2032 функционирует до 5 лет при правильной антенне). Потери в антенне свыше 3 дБ могут значительно сократить срок службы.
• Совместимость с материалами корпуса: корпус из металла или толстой пластмассы влияет на параметры антенны — частота резонанса сдвигается, ухудшается VSWR. В проекте учитывают расстояние от антенны до металлизированных частей не менее 5–10 мм.
• Многочастотность: современные IoT-устройства поддерживают несколько протоколов, что требует многодиапазонных или пару разнотипных антенн (например, 868 МГц и 2.4 ГГц). Итогом являются сложные конструкции с резонаторами или встроенными длинными проводниками.

Исследование инженеров Nokia в 2022 году показало, что оптимальная высота монопольной антенны для устройств NB-IoT составляет не менее 10 мм при частоте 900 МГц для поддержки требований к дальности связи и стабильности.

Влияние условий эксплуатации на выбор антенн для IoT

Выбор антенны для IoT напрямую зависит от окружающей среды, в которой устройство будет функционировать. Факторы включают:

• Температура и влажность: при экстремальных температурах (-40…+85 °C) должны использоваться специализированные материалы (FR4, Rogers 4350B). Эксплуатация на объектах с повышенной влажностью требует влагозащитных покрытий.
• Местность и застройка: в городских условиях сигнал ослабляется многократным отражением, поэтому предпочтительными являются антенны с направленностью 3–5 dBi, обеспечивающие улучшенное проникновение сигнала через препятствия.
• Расстояние между устройствами: для LoRa веществуют возможности передачи до 15 км при открытой местности, но в лесу или городе оно сокращается до 2-3 км. Исходя из этого, выбирается либо антенна с высоким коэффициентом усиления, либо универсальная всенаправленная.
• Влияние помех и электромагнитное окружение: в промышленных условиях целесообразно применять антенны с высокой селективностью и экранированием.

Например, при монтаже в умных городах лучше использовать антенны для беспроводных устройств с защитой IP67 и температурным диапазоном эксплуатации согласно ГОСТ Р ИСО 20653-2013 (от 20 до +80 °C) для обеспечения длительной службы.

Интеграция антенн в корпус и схемотехнику устройств интернета вещей

Процесс внедрения антенн для интернета вещей в устройство является сложной инженерной задачей. В современных решениях особое внимание уделяется:

• Интеграция антенн LoRa для IoT: поскольку LoRa требует увеличенной дальности, антенны обычно располагаются вне металлических корпусов, оснащаются адаптерами с согласованием и имеют длину порядка 8–10 см для 900 МГц. При этом используются гибкие печатные платы или керамические субстраты.
• Встраиваемые антенны: позволяют экономить место в корпусе. Например, встроенная PCB-антенна размером до 20×10 мм при частоте 2.4 ГГц обеспечивает приемлемую производительность. Для уменьшения взаимодействия с остальными модулями применяется экранирование.
• Согласование с схемотехникой: на выходе передатчика устанавливаются согласующие цепи, минимизирующие VSWR и потери. Важна точность подгонки параметров — например, согласование с помощью LC-контуров позволяет снизить рефлексию свыше 20%.
• Использование мультиантенных систем: для повышения надежности сигнала используются схемы MIMO и Diversity, особенно в Wi-Fi- и LTE-модулях с несколькими антеннами.

Практический пример — компания Semtech, производящая LoRa-чипы, рекомендует использовать внешнюю антенну с усилением 3 dBi и минимальным VSWR 1.5, размещенную на расстоянии не менее 10 мм от корпуса и металлических частей для достижения максимальной дальности передачи.

Таким образом, выбор и проектирование антенн для IoT устройств требует комплексного подхода с учётом технических характеристик, условий эксплуатации и особенностей корпуса. Только тщательно подобранная и правильно интегрированная антенна обеспечит надежную работу интернета вещей в любых условиях эксплуатации.

Полезные материалы для дальнейшего изучения темы:

• IEEE IoT Antenna Design and Performance Research
• ГОСТ Р 53630-2009. Аппаратура радиочастотная. Общие технические требования
• ETSI EN 302 208-1 V1.2.1 Radio Frequency Identification Equipment
• ITU Recommendations for Antenna Parameters in Wireless Communications

Что еще ищут читатели