Vítejte, dnes je
neděle
22.
prosinec 2024
Odborný časopis a portál zaměřený na vývoj a výrobu elektroniky Ačkoli jsme se v Rystonu při hledání vývojových zakázek radiovým systémům snažili spíše vyhýbat, protože bez adekvátní měřicí techniky se jedná o duchařinu, přece nás okolnosti navedly na některé bezdrátové technologie.
Splynutím firem Ryston Electronics a Macro Weil se záběr do bezdrátových systémů spíše prohloubil. V tomto článku se pokusím shrnout úspěšné návrhy z nedávné doby, setříděné od nízkých frekvencí k vysokým.
Nedílnou součástí každého radiového systému je anténa, která vyzařuje nebo přijímá energii elektromagnetického vlnění do/z prostředí. Rozměry a provedení antény vzhledem k délce vlny v prostředí, vidu a požadované šířce pásma ovlivňují efektivitu přenosu energie a intenzitu signálu.
Protože nejsem odborníkem na radiotechniku, nebudu zabíhat příliš do teorie. Obecně však lze říci, že čím větší je rozměr antény anebo čím více se blíží λ/4 v prostředí, tím má anténa větší zisk (efektivitu přenosu). Protože konstruujeme rádi malá zařízení, je u nízkých frekvencí velikost antény kompromisem mezi spotřebou a dosahem.
V následujících odstavcích jsou popsány naše konstrukce, které přinesly nutnost zabývat se anténou, ať již v smyslu jejího vytvoření, anebo naopak potlačení jejího vlivu.
Tento frekvenční rozsah v pásmu dlouhých vln umožňuje dosah na centimetry až cca 1 m, ale anténa musí mít tvar cívky s co největší plochou, takže převažuje magnetický charakter vlny. To však umožňuje přenos i v prostředí, jako je slaná voda, takže se používá pro potápěčské a námořní systémy bezdrátové komunikace, např. z tlakového čidla na láhvi do potápěčského počítače na zápěstí nebo při orientaci pod vodou.
Frekvence 125 kHz je používána pro jeden radiový identifikační systém (RFID). Stanice (čtečka) napájená ze zdroje nejprve vysílá v pásmu radiový signál, který přenese dostatečnou energii do odpovídače (tagu, transpondéru), takže i bez vlastního zdroje energie odpoví modulovaným radioimpulsem, který obsahuje zakódovaný unikátní identifikátor. Čtečka impulsy dekóduje a předá informaci v digitální podobě procesoru. Čtecí obvody vyrábí řada firem, např. Marin, a anténu tvoří vzduchová cívka s cca 20 závity drátu, uloženými v krytu čtečky nebo vytvořenými na okraji DPS. Indukčnost této cívky ve vzduchu je kolem 120 μH, dosah je zhruba úměrný její ploše.
Problémem je kovový povrch nebo nalitá měděná plocha na blízké DPS. Tagy mají tvar přívěsku nebo karty. Některé tagy mají i tlačítka a vlastní maličkou baterii, takže jsou aktivní. Praktický dosah je kolem 20 cm, což stačí např. pro aplikaci jako přístupový/docházkový systém, kdy s kartou v náprsní kapse projdete kolem čtečky a tím se zaregistrujete.
Jedná se o systém používaný pro zabezpečovací systémy, RFID a bezkontaktní čtení např. platebních karet. Je to skupina protokolů (ISO/IEC 14443 a JIS X 6319), systémy pracují na frekvenci 13,56 MHz a anténu v transpondéru (kartě) tvoří několik závitů tenkého drátu uloženého na okraji karty.
NFC slouží též k provádění mikroplateb s bezkontaktní platební kartou, což přináší značná rizika. Teoreticky je možné bez vědomí držitele se připojit přes NFC k jeho kartě a „vyluxovat“ jeho konto. Proto je systém NFC silně zabezpečen. Pro NFC byla vyvinuta řada čipů jak do karet, tak do čteček, hlavními výrobci jsou Infineon a NXP. Obvody i podrobné informace jsou z bezpečnostních důvodů pro běžného uživatele nedostupné a pro získání přístupu je třeba komplikovaná bezpečnostní procedura s NDA.
Se systémem NFC se do budoucna počítá i v prodeji jízdenek a vybírání mýta – stáhne peníze rovnou z vaší karty. Další podrobnosti jsou např. na Wikipedii.
V Rystonu jsme pro jednoho zákazníka vyvinuli vozidlovou jednotku (OBU) používající i modul NFC. Anténa je provedena jako destička plošného spoje s plošnou cívkou o cca 6 závitech. Dle údajů výrobce jsme nastavili šíři čar a jejich rozestup, poté prakticky ověřili.
Tyto frekvence jsou „volné“, je tedy možné je s omezením výkonu neřízeně používat spotřební elektronikou (dálková ovládání atd.). Přitom se předpokládá, že jednotlivé vysílače s dosahem kolem 10 m a krátkou vysílací dobou se navzájem neruší, a pokud ano, opakované vysílání (stiskem tlačítka) je možné. Není to však globální, jsou pásma evropská, americká a asijská, kolidující s pásmy přidělenými různým mobilním telefonním systémům.
V pásmu 868 MHz začal operovat systém SIGFOX, který zajišťuje v globálním dosahu pomalý přenos malého množství dat (řádově desítky bytů) mezi mnoha stanicemi a serverem. To umožňuje výrobu obrovského množství malých jednotek napájených bateriemi s životností 10 let, které vysílají stav měřičů médií, stav hlídacích čidel a zjištěných alarmů apod. K provozu SIGFOX není potřeba ani sim karta, ale jednotlivé stanice s moduly podléhají licenci.
V Rystonu jsme pro prvního českého mobilního operátora sítě určené pro internet věcí na technologii SIGFOX provedli vývoj monitorovací jednotky provozu SIGFOX. Tato monitorovací jednotka používá anténu keramického typu připájenou na DPS. To vytváří přibližně válcovou vyzařovací charakteristiku.
Pro směrové aplikace nebo při nepřístupnosti vnitřní antény z uzavřeného prostoru je možno použít externí antény například od výrobce 2J, které máme v prodejním portfoliu.
Mobilní telefonní systém GSM zabírá přidělená pásma národními úřady kolem 900 MHz, 1 800 MHz a další. Kromě hlasové komunikace si stále větší oblibu získává datový přenos. To umožňuje konstrukci mobilních jednotek udržujících spojení s internetem s velkou kapacitou. Jednotka může mít malé rozměry řádu cm (GSM modul má rozměry řádu mm jako SMD součástka), ale vyžaduje (impulsní) příkon několika wattů pro vysílání, tedy zdroj, vícepásmovou všesměrovou anténu, a SIM kartu nebo čip registrovaný operátorem sítě, z čehož plyne jistý paušál podle jeho ceníku. Při velkém počtu jednotek to může hrát značnou roli.
Přesto si technika GSM dat vydobyla nejlepší místo pod sluncem relativně nízkou cenou modulů i poplatků a tím, že snad všechny soudobé smartphony datový přenos používají.
V Rystonu jsme vyvinuli několik desítek GSM aplikací: telefonní brány pro alternativní volání do pobočkových ústředen, dveřní komunikátory, systémy sběru dat pro nákladní automobily, fleet control systémy kombinující GSM a GPS, osobní lokátory pro dělníky na stavbách a další aplikace pro ekologii. Na straně serveru máme několik vyvinutých programů pro správu a interpretaci dat z mobilních jednotek, rozúčtování svozu odpadů a další.
GSM antény v telefonech jsou většinou ve formě napařené vodivé plochy na plastových konstrukčních dílech. Požadavkem je schopnost práce ve více pásmech velkých šířek. Nevím, jak to dělají výrobci telefonů, ale v Rystonu jsme vyvinuli experimentální metodou motiv antény na desce plošného spoje (viz obr. 5).
Anténa může být i „součástka“ – obdélníček DPS s pájecími výstupky do vyfrézovaných oválných děr v základní desce, anebo nejlépe přímo na základní DPS motiv umístěný tam, kde je „viditelný“. Motiv může mít různé tvary, jako J, F apod., které vytvoří svými délkami rezonanční maxima pro použitá pásma, přičemž šířkou čar je zhruba určena šířka pásma. Při vývoji jsme udělali motiv o něco delší a ubrušováním a měřením spektrálním analyzátorem jsme se dobrali optimálních rozměrů. Ale je třeba myslet na to, že různé základní materiály, byť názvu FR-4, různé tloušťky mědi nebo nepájivé masky, okolní součástky a pouzdro mohou mít na naladění antény značný vliv. Pod motivem antény nesmí být nalitá měď, pouzdro přístroje nesmí mít EMI pohltivý nástřik a nesmí být umístěno na vodivém podkladu, který funguje jako elektromagnetický zkrat.
