Bezdrátové technologie a antény − pokroky vývoje v Rystonu

„Customer is King“ – toto pravidlo číslo 1 nás v Rystonu ve vývoji přivedlo k bezdrátovým technologím, buď protože si to zákazník přeje, anebo to jinak prostě nejde.

Po akvizici firmy Macro Weil se náš společný záběr do rádiových systémů prohloubil. Firma R/MW je úspěšným distributorem řady výrobců jak integrovaných obvodů (CML), tak systémů (RadioCraft, Teltonika, Roger, TRL, WirelessLinks) pro rádiovou komunikaci, zejména mobilních.

S těmito znalostmi a prostředky jsme modernizovali několik rádiových systémů pro dosažení lepších vlastností.

Tento článek navazuje na předchozí články v tomto časopisu. Pokusíme se stručně popsat nové konstrukce, které jsou „úspěšné“ v tom smyslu, že přešly do výroby nebo se prakticky používají.

Aby bylo mobilní zařízení kompaktní, je dobře, pokud to konstrukce umožňuje, když anténa je všesměrová a má maximální zisk, tedy je zhruba naladěná na frekvenční pásmo. Protože konstruujeme rádi malá zařízení, je velikost antény kompromisem.

RFID – rádiová identifikace

Je využíváno několik rozsahů: okolo 125 kHz, 13,56 MHz, 850−950 MHz a další. Každý rozsah má svoje přednosti a nevýhody.

Pásmo 125 kHz umožňuje dosah v řádu centimetrů, ale anténa musí mít tvar cívky s co největší plochou, takže převažuje magnetický charakter vlny. To však umožňuje přenos i v mírně vodivém prostředí, jako je voda. Čtečka napájená ze zdroje nejprve vysílá rádiový signál, který přenese dostatečnou energii do odpovídače (tagu, transpondéru), takže ten i bez vlastního zdroje energie odpoví modulovaným radioimpulsem obsahujícím zakódovanou unikátní identifikaci. 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. 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. Jeden provozujeme v Rystonu pro sledování přítomnosti osob v budově a jako přístupový systém.

Další pásma, UHF, dávají systémům kompaktní rozměry a dosah kolem 1 m i více. Systémy se používají jako stacionární pro identifikaci objektů jako zvířat, balíků na lince, pohybujících se vozidel nebo jako vozidlové např. pro identifikaci sběrných nádob při vysypávání.

Tagy pro tento systém mají formu samolepky s natištěnou anténou a čipem nebo plastového žetonu či krabičky. Některé samolepky mají natištěný čárový či QR kód, takže se dají číst i opticky.

Tagy jsou většinou předem naprogramovány výrobcem a opět obsahují unikátní identifikátor, ale existují i tagy, do nichž se speciálním „programátorem“ dá obsah přepsat. 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 z Al plechu o rozměrech 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.

V Rystonu jsme s použitím modulu s modernizovaným obvodem PR9200 vyvinuli malou automotivní čtečku s účinným dosahem kolem 1 m a rozměry 80 × 120 × 60 mm. Modul má keramickou anténu s rozměry asi 50 × 50 mm, do níž se přes zpožďovací linku posílá přímý a zpožděný signál, a tak vzniká kruhově polarizované elektromagnetické pole eliminující problém s orientací tagu. Tyto čtečky jsou tak kompaktní, že snášejí provoz na sběrném voze za každého počasí a v drsném prostředí.

NFC (Near Field Communication, komunikace v blízkém poli)

Je to systém často používaný pro zabezpečovací systémy, RFID a bezkontaktní čtení např. platebních karet. Obsluha je popsána skupinou 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 značné požadavky na zabezpečení a identifikaci. Teoreticky je možné bez vědomí držitele se připojit přes NFC k jeho kartě a „vyluxovat“ jeho konto. Pro NFC byla vyvinuta řada čipů jak do karet, tak do čteček, výrobci jsou např. 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 ucházejícího se o provoz mýta vyvinuli vozidlovou jednotku (OBU) používající i modul NFC. Anténa je provedena jako destička plošného spoje s plošnou cívkou o cca 6 závitech.

Pásma 433 a 868 MHz

Tyto frekvence jsou „volné“, je tedy možné je s omezením výkonu neřízeně využívat spotřební elektronikou (například dálková ovládání spotřebičů, vozidel, lodí). Přitom se předpokládá, že jednotlivé vysílače s dosahem kolem 10 m a krátkou vysílací dobou se navzájem neruší.

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 provoz obrovského množství malých levných jednotek napájených baterií s životností 10 let, které vysílají stav měřičů, stav hlídacích čidel, zjištěných alarmů apod. K provozu SIGFOX není potřeba ani SIM karta, ale jednotlivé stanice s moduly podléhají licenci.

V Rystonu jsme pro operátora této sítě provedli vývoj terminálu a monitorovací jednotky provozu SIGFOX používající malou keramickou anténu 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 R/MW.

GSM

Mobilní telefonní systém GSM zabírá přidělená pásma národními úřady kolem 900 MHz, 1 800 MHz a další. Kromě hlasu si stále větší oblibu získává datový přenos. To umožňuje konstrukci mobilních jednotek udržujících přes dobře pokryté území vysokorychlostní spojení s internetem. Jednotka může mít malé rozměry (GSM modul má rozměry řádu mm), ale vyžaduje (impulsní) příkon několika wattů pro vysílání, anténu a SIM kartu nebo čip registrovaný operátorem sítě, za který se platí. To může hrát značnou roli při velkém počtu jednotek.

Přesto si technika GSM dat vydobyla nejlepší místo nízkou cenou modulů i poplatků.

V Rystonu jsme vyvinuli několik desítek GSM aplikací: telefonní brány pro alternativní volání do pobočkových ústředen, dveřní komunikátory, systémy sběru provozních dat pro nákladní automobily, fleet-management 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. V Rystonu jsme vyvinuli motiv antény na desce plošného spoje (viz obr. 6).

Motiv může mít různé tvary jako J, F apod., které vytvoří svými rozměry rezonanční pásma.

GNSS

Toto označení pokrývá 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 zprávy − řetězce znaků známého formátu − posílány z přijímače po sériové lince. Z takto získaných informací lze získat polohu „fix“, aktuální čas a další info o kvalitě. Polohu je možné vyčíst 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 1 575,42 MHz, GLONASS 1 602,0 MHz) a mají velmi podobný formát „fix“ zprávy, která se liší třeba jedním znakem. 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).

DSRC

V pásmu 5,9 GHz se používá zabezpečená mikrovlnná komunikace pro elektronický výběr mýta. Pro zákazníka jsme vyvinuli vozidlovou jednotku OBU vybavenou i modulem DSRC.

Nežádoucí efekty na plošných spojích

Rozměr antény pro rozsah běžných rádiových kmitočtů (1 GHz odpovídá délce vlny 30 cm) je srovnatelný s nejběžnějšími rozměry součástek a vodivých drah na deskách plošných spojů. Každá dlouhá a nezakončená vodivá čára na DPS je tak 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 rušivým emisím. Proto by návrhář plošných spojů měl věnovat úsilí například eliminaci mečovitých výběžků. Vf signály je radno vést v mezivrstvách a impedančně je přizpůsobit, čímž se dostáváme k mikropáskovým vedením.

Zigbee, wifi, miwi, bluetooth

Další bezdrátové technologie pracují v pásmu kolem 2,4 GHz a vyvíjíme několik systémů. Velcí výrobci je intenzivně podporují, například Microchip. Bližší informace jsou dostupné například v [3].

Závěr

Ve vývoji aplikací bezdrátových systémů je třeba zvážit i možnosti realizace antén. Někdy však na DPS vznikne i nežádoucí anténa, čemuž je třeba vhodným návrhem zabránit.