Bezdrátové technologie a antény: zkušenosti Ryston Electronics – II. část

Dokončení článku z předchozího čísla

GNSS

Pod tímto označením se ve skutečnosti skrývá několik systémů globálního určování polohy pracující na stejném principu: americký GPS, evropský Galileo, ruský GLONASS a čínský Beidou. Přesně rozmístěné satelity na orbitách s vysoce přesnými synchronizovanými hodinami vysílají signály, které zachycují pozemní přijímače a z časového posunu mezi jejich příjmem napočítají lokální polohu a čas. Výsledek a jiné informace jsou zpravidla ve formě řetězce znaků známého formátu posílány z přijímače po sériové lince. Z takto získaných informací lze získat počet satelitů, aktuální čas a především tzv. „FIX“. Z fixu je možné vyčíst polohu s přesností asi 10 m v běžném módu a spočítat i rychlost a směr pohybu každou sekundu.

GNSS systémy pracují na frekvenci kolem 1,6 GHz (GPS 1575,42 MHz, GLONASS 1 602,0 MHz) a kupodivu mají velmi podobný formát fix zprávy, která se liší třeba jedním znakem. Upřímně řečeno nechápu, proč Galileo existuje, jediná jeho aplikace je výběr mýta v některých evropských systémech. Všechny námořní a většina pozemních navigací pracují s americkým systémem GPS, který je nejstarší a má nejlepší kvalitu, případně s ruským GLONASS. GPS je popsán v řadě publikací [1]. Dostupnost přijímačů ve formě modulů (některé mají dokonce přepínání systémů) jsou naprosto dostatečné pro konstrukci navigačních, dohledových a mýtních systémů. Antény pro systémy GNSS mohou být externí (aktivní ve tvaru „hříbku“ s kabelem) pro námořní navigaci a interní pro montáž na DPS (pasivní ve formě keramické součástky o rozměrech asi 18 × 18 mm).

Samotná realizace interní antény na DPS se jeví jako jednoduchá věc: objednám GPS anténu, osadím a měřím polohu, nicméně vlastnosti DPS mohou výrazně ovlivnit rezonanční frekvenci a je třeba provést kalibrační měření na reálné desce. K tomuto účelu nabízí obvykle výrobce GNSS antén tzv. „ladicí sadu“, kde je cca 12 ks antén, každá doladěná přesným laserováním na jednotlivé kanály po cca 2 MHz. Empirickým měřením a přesným měření útlumu odrazu a VSWR osazené antény je třeba vybrat tu správnou, která nejlépe vyhovuje našemu DPS.

UHF RFID

Systémy RFID v pásmu UHF používají frekvence v rozmezí 850–950 MHz. Bohužel přidělování frekvencí v různých státech je naprosto nejednotné. Proto obvody nebo moduly UHF RFID čteček mají programovatelnou frekvenci a řadu dalších parametrů, které se nám ne zcela podařilo rozklíčovat, co vlastně dělají.

Tagy podle trochu záhadné normy ISO18000-6C pro tento systém mají formu samolepky s natištěnou anténou a čipem nebo plastového žetonu či krabičky. Pro montáž na vodivém povrchu (plech) se musí použít „anti metal tag“ ve tvaru krabičky s podkladní vrstvou disipativního materiálu, jehož složení si výrobci žárlivě střeží.

Některé tagy jsou předem naprogramovány a opět obsahují unikátní identifikátor, ale existují tagy, do nichž se speciálním „programátorem“ dá obsah zapsat. To bohužel znamená i možnost existence dvou či více tagů se stejným ID a možnost zmatků.

Čtečky mají různé rozměry a různý příkon a dosah. Stacionární čtečky pro tagy připevněné na SPZ nebo na paletě mají zhruba rozměry dopravní značky a vysílací výkon 10 W, kdy dosah je (podle výrobců) asi 6 m. Anténa pod krytem je tvořena deskou Al plechu, rozměrů řádově asi λ. Roli hraje orientace tagu s 2× λ/4 anténou vůči čtečce, která má nějaký vid (mód), ale čínský výrobce to taktně neuvádí.

My jsme s použitím modulu s obvodem PR9200 vyvinuli malou (auto)motivní čtečku s účinným dosahem kolem 1 m a rozměry 80 × 120 × 60 mm. Modul má externí keramickou anténu čtvercového tvaru s rozměry asi 50 × 50 mm, ta ale má dva přívody, do nichž se přes zpožďovací linku posílají přímý a zpožděný signál, a tak vzniká kruhově polarizované pole eliminující problém s orientací tagu.

Čtečka má sériové obousměrné rozhraní, takže může být připojena k centrální jednotce přes USB, RS-232C nebo RS-485 a umožňuje ji použít i jako stolní či ruční jednotku k PC.

V našem případě jde o systém managementu svozu odpadových nádob, kdy tagy jsou na plastových/ plechových popelnicích nebo kontejnerech a jeho mobilní část čte nádoby při výklopu. Součástí systému je serverová aplikace pro prohlížení, exporty a rozúčtování svozů odpadu. Průkopníkem a provozovatelem dvou vozů s tímto systémem je společnost Suez (Sita). Během pilotního provozu jsme si ověřili, že automotivní systém na sběrném voze je vystaven velice darwinistickému prostředí s brutálními provozními podmínkami. Například samostatná zapájená GSM anténa (na jednostranné DPS) se vlivem vibrací uvolnila ze svého místa na nosném DPS. Systém prostě vyžaduje nepřetržitou servisní pohotovost, nicméně funguje.

DSRC

V pásmu 5,9 GHz se používá zabezpečená mikrovlnná komunikace pro elektronický výběr mýta. Pro zákazníka jsme vyvinuli vozidlovou jednotku OBU, vybavenou modulem DSRC i pozičním přijímačem, který má volitelné všechny systémy z předchozího odstavce, a tím použitelnou pro většinu evropských a asijských států.

HF/RF Data

Významným hráčem na tomto poli je britský výrobce integrovaných obvodů CML, které Ryston distribuuje. Vyrábí řadu jedinečných sad pro digitální bezdrátové modemy a pro pozemní i námořní komunikaci, částečně i pro vojenské aplikace.

HF/RF Power

Nazýváme tak pracovně systémy s bezdrátovým přenosem energie na nějakou vzdálenost. Například jsou to planární transformátory, kdy jedno nebo obě vinutí jsou tvořeny ne drátem, ale smyčkami vodivých cest na vícevrstvé DPS. Spoje mezi vrstvami jsou provedeny prokovenými dírami, nejčastěji „slepými“, pro úsporu místa. Vinutí provedené plochými vodiči má výhodu potlačení skin-efektu a snižuje pracnost při navíjení, ale je náročné na přípravu a někdy je problém s proudovou zatížitelností prokovených děr.

Dalším příkladem jsou různé bezkontaktní nabíječky. Přenos je většinou vzduchovou mezerou na vzdálenost do 1 mm a problém je s účinností při větších výkonech. Máme vyzkoušenou bezkontaktní nabíječku pro potápěčské svítilny, kdy se neustálé otvírání lampy v ne zcela čistém prostředí (prach, sůl) ukázalo jako závažný problém. Použité kmitočty jsou v řádu stovek až tisíců kHz.

Mikrovlny

Experimentovali jsme ve spolupráci s firmou H-test s kity firmy Pasternack Electronics pro mikrovlnné spoje v pásmu 60 GHz (milimetrové pásmo). Anténa je tvořena vlnovodným přechodem na parabolickou anténu, popř. tvarovaným zářičem. Zdá se reálným cílem vyřešit pomocí dvou párů kitů duplexní spoj gigabitového ethernetu na vzdálenost 2 km.

Nežádoucí efekty na plošných spojích

Z předchozího lze vypozorovat, že délka antény pro rozsah běžných rádiových kmitočtů (1 GHz odpovídá délce vlny 30 cm) je srovnatelná s nejběžnějšími rozměry součástek a vodivých drah na deskách plošných spojů. Každá dlouhá a nezakončená vodivá čára na DPS je potenciální anténou. Když se k tomu přidá ta smůla, že některá harmonická složka digitálního cvrkotu prochází okolo této antény a „najde se“ v ní, může docházet k vyzařování rušivých emisí. Proto by návrhář plošných spojů měl věnovat úsilí například eliminaci mečovitých výběžků jak na signálových spojích, tak na nalité mědi.

Zigbee, wifi, miwi, bluetooth

Další bezdrátové technologie pracují v pásmu kolem 2,4 GHz, a přestože jsme je studovali, dosud jsme pro ně nic nevyvíjeli. Avšak naši přátelé ze společnosti Microrisc na nich pracují. Velcí výrobci je intenzivně podporují, například Microchip. Bližší informace jsou dostupné například v [3].

Závěr

Vyzkoušeli jsme si několik aplikací bezdrátových systémů a několik možností realizace antén. Někdy však na desce plošného spoje vznikne i nežádoucí anténa, čemuž je třeba vhodným návrhem zabránit.