We zien al enkele jaren een trend naar “draadloos”. Sensoren of actuatoren worden tegenwoordig vaak niet meer vast bedraad, maar maken gebruik van een draadloze besturing. Vaak ook gekoppeld aan het internet en dan wordt het als snel IoT, Internet of Things genoemd. Meestal kan zo’n sensor jarenlang op een batterijtje werken, of in het geval van RFID, gevoed worden door een energie uit een hoogfrequent signaal.
Om maximaal bereik te krijgen maar tegelijkertijd ook heel zuinig met de beschikbare energie om te gaan, is het belangrijk dat de radiomodule efficiënt werkt. Voor een deel zit ‘m dat in de chip. Bijvoorbeeld een microcontroller met een radiomodule heeft aan ongeveer 5 mA genoeg om een Bluetooth signaal van 1 mW te maken. Het is zaak om de radio zo kort mogelijk aan te zetten en de processor zo veel mogelijk te laten slapen. Een bericht met enkele tientallen bytes aan data kost meestal veel minder dan 1 ms.
Maar we hebben nog een onderdeel nodig om een efficiënte verbinding te maken en dat is een antenne. Een antenne om een bericht te verzenden, maar ook om te ontvangen. Gelukkig werkt een antenne beide kanten even goed – of even slecht. Laten we ons even concentreren op het zenden, voor ontvangen werkt het precies zo. Een zender levert een bepaald vermogen. Afhankelijk van de aanpassing (matching) van de antenne, wordt een deel hiervan uitgezonden en een deel gaat retour afzender, de zender dus. Voor heet gemak gaan we er even vanuit dat er verder geen verliezen zijn, daarin wordt vermogen omgezet in warmte.
De meeste zenders zijn geoptimaliseerd voor een bepaalde belastingsimpedantie, meestal 50 Ohm. Een perfecte antenne gedraagt zich – op de gewenste frequentie- als een 50 Ohm weerstand. Niets is echter perfect en zeker in IoT of RFID toepassingen niet. Omgevingsfactoren maken heel veel verschil, daarover later meer.
De antenne zal het signaal uitzenden, maar in welke richting? Als je niet weet waar de zender en of ontvanger zich bevinden, dan is het praktisch als het signaal in alle richtingen even sterk is. Zo’n antenne bestaat echter alleen in theorie en wordt een isotrope straler genoemd. Praktische antenne stralen in de ene richting meer dan in een andere. De richting waarin het sterkst wordt uitgezonden (of ontvangen) wordt de hoofdbundel genoemd. Soms is dit signaal dan sterker door het bundelingseffect dan van een isotrope straler. Dit is dan een soort versterkingsfactor en wordt meestal met gain of directivity aangeduid. Dit is dan in het algemeen ten opzichte van een isotrope straler. Een bekend voorbeeld is een paraboolantenne. Die werkt net zo als een parabolische reflector achter een lamp. Alleen recht naar voren komt er licht uit, naar de andere richtingen niets of nauwelijks. De totale hoeveelheid licht verandert niet, het is alleen geconcentreerd in één richting.
Vaak wordt een antenne geselecteerd met de hoogste gain, want dat is “de beste antenne.” Dat kan zeker zo zijn als je zend- en ontvangstantenne mooi op elkaar kunt uitrichten zoals bij straalverbindigen of bij geostationaire satellieten. Maar bij IoT toepassingen zijn de zenders en of ontvangers vaak mobiel en weet je niet in welke richting je moet kijken met je antenne. In die gevallen is een hoge gain niet zo handig. Wel is het zo dat je in veel toepassingen niet zo veel hebt aan antennes die de bodem of de hemel in kijken. Liever heb je dan een antenne die een soort donutpatroon heeft: wel rondom, maar ongevoelig naar boven en beneden. Een voorbeeld van zo’n antenne is een verticaal geplaatste dipoolantenne of een monopoolantenne ook wel bekend als “sprietantenne.”
Kleine antennes hebben altijd een lage gain, voor een hoge gain zit je vast aan een relatief grote antenne. Helaas valt daar niet aan te ontkomen. Dit is de reden dat bijvoorbeeld grote telescopen nodig zijn om hele zwakke licht- of radiosignalen te ontvangen. Wees wantrouwig als antennes worden geadverteerd als high gain en ze toch heel klein zijn, dat kan niet.
Nog één aspect wil ik behandelen en dat is de invloed van de omgeving op de antenne. Andere aspecten zoals antennepolarisatie bewaar ik voor een volgende keer. Als je een antenne maakt voor op een telecommast, dan heb je het makkelijk, de omstandigheden zijn grosso modo altijd gelijk. Er staat niet ineens een kast voor de antenne, of er lopen geen mensen overheen en de antenne wordt niet in de hand vastgehouden.
Vaak wordt gedacht dat als een behuizing van plastic is, het geen invloed heeft op een antenne. Dat is soms inderdaad het geval, met name voor lage frequenties en vooral voor antennes die werken op de magnetische component van het elektromagnetische veld. Maar is vrijwel alle IoT en UHF RFID toepassingen heeft plastic wel invloed. En zeker metaal en water (een mens is voor een groot deel een zak water). Het principe van beïnvloeding is verschillend. Metaal reflecteert het signaal (nagenoeg) volledig. Maar omdat de afstand van het rechtstreekse en het gereflecteerde signaal kan verschillen, kan het signaal op die plaats versterkt of juist tegengewerkt worden.
Door reflecties kan op bepaalde plekken het signaal zo maar 10 of 100 keer zwakker zijn dan zonder reflecties. Ook omgekeerd als reflectie en het rechtstreekse signaal mooi in fase zijn, is het twee keer zo sterk. Zeker aan de randen van het bereik kun je zo gebieden hebben met wel/niet ontvangst. Hier zijn wel oplossingen voor te bedenken, maar dat is wellicht voer voor een volgend bericht.
Tenslotte nog de invloed van bijvoorbeeld plastic of water. Hier treedt ook gedeeltelijke reflectie op, maar het effect is het grootst direct op de antenne. Met name als een pcb antenne dicht op een plastic behuizing zit, of wordt ingegoten is de invloed merkbaar. Zeker als dit met de hand wordt afgeschermd of dicht op het lichaam wordt gedragen. Dit wordt ook wel een diëlektrische belasting van een antenne genoemd. Het materiaal rondom de antenne heet dan het diëlektricum, gekenmerkt door de diëlektrische constante, ook wel relatieve permittiviteit genoemd. Die constante is overigens helemaal niet zo constant, maar afhankelijk van de frequentie en soms ook zaken als temperatuur.
Hoe hoger de die constante, hoe groter de invloed op de antenne. Die constante is in de orde van grootte van 2-4 voor de meeste kunststoffen, maar is circa 80 voor water! Het probleem is dat een perfecte antenne in vacuüm (of lucht) verkleind moet worden als hij omgeven door een diëlektricum werkt. Bij een PCB antenne is het PCB materiaal ook al een diëlektricum. Die verkleiningsfactor is de wortel uit de diëlektrische constante. Dit is ook de truc bij de hele kleine smd antennes, die worden meestal omhuld met een keramisch materiaal met een hele hoge diëlektrische constante. Verwacht geen wonderen van zo’n antenne!
In de praktijk is de printplaat, het plastic of de hand niet oneindig dik, dus is ook de invloed kleiner dan die factor met de wortel. Hoe veel, dat is vaak te meten, al kan het lastig zijn met bijvoorbeeld een ingegoten antenne of een sensor in een koeienoor. Een antenne kan dan worden getuned op de specifieke behuizing en de gebruiksomstandigheden. Dit is waar IDcircuits de nodige ervaring mee heeft.
