Anteny otaczają nas ze wszystkich stron. Są tak powszechne, że często nie dostrzegamy ich obecności, a warto wiedzieć – że to właśnie dzięki nim możemy komunikować się ze sobą. Te niepozorne elementy są jednymi z najważniejszych części nowoczesnych urządzeń, samochodów, telefonów, komputerów i urządzeń smart home FIBARO. Bez nich nasze życie byłoby porównywalne do tego z początków XX wieku. Temat anten zgłębiliśmy w rozmowie z naszym ekspertem – Robertem Giżyckim, Senior Hardware Engineer FIBARO.
Przemysław Kaczorowski: Robert, czym są anteny i jaką pełnią rolę urządzeniach IoT, w tym w urządzeniach FIBARO?
Robert Giżycki: Antena zwykle zbudowana jest z metalu, który posiada określony kształt i rozmiar. Cechy fizyczne konstrukcji definiują jej właściwości i działanie – w tym zasięg systemu. Antena jest końcową częścią układu radiowego, która ma za zadanie efektywnie zamienić moc elektryczną dostarczoną do jej wejścia w fale elektromagnetyczną (EM), która rozchodzi się swobodnie w przestrzeni docierając do odległych urządzeń – niosąc informację. Natura anten jest taka, że działają jednocześnie w obu kierunkach, chodzi o to, że są jednocześnie nadajnikiem i odbiornikiem fali EM. Para anten odległych od siebie jest jakby połączona „niewidzialnym kablem” łączącym urządzenia ze sobą zapewniając komunikację. Zasadnicza różnica polega na tym, że zwykły kabel łączy zazwyczaj dwa urządzenia, a anteny promieniują we wszystkich kierunkach umożliwiając połączenie z wieloma urządzeniami w różnych lokalizacjach jednocześnie. Oczywiście, istnieją anteny, które są silnie kierunkowe, jednak w urządzeniach IoT, w tym w urządzeniach FIBARO, zależy nam głównie na uzyskaniu równomiernego promieniowania we wszystkich kierunkach. Połączenie kablowe jest stabilne i posiada praktycznie identyczne tłumienie w funkcji czasu czy zmiany jego ułożenia. W przypadku anten jest zupełnie inaczej, tłumienie między dwoma antenami nie jest stałe. Bardzo mocno zależy od wzajemnego położenia urządzeń względem siebie, od materiału, na którym urządzenia zostały zamocowane, konstrukcji budynku, a także, co ciekawe, od położenia osób znajdujących się w budynku. Nie bez znaczenia jest zjawisko odbicia i sumowania fali, które lokalnie może objawiać się dużym zanikiem sygnału. Nasze badania wykonane w dziale R&D FIBARO pokazały, że fluktuacje tłumienia między antenami mogą wynosić nawet 20-30dB (różnice 100-1000 razy). W praktyce oznacza to, że między tymi samymi urządzenia w pewnym budynku zasięg może wynosić 30 metrów, natomiast w innym wyniesie jedynie 15 metrów, a to wszystko spowodowane przez różne czynniki zewnętrzne.
PK: O czym my, jako użytkownicy smart home FIBARO, musimy pamiętać, by mieć pewność, że urządzenia nie zgubią chwilowo zasięgu? O czym pamiętać musi instalator przeprowadzający instalacje?
RG: W FIBARO staramy się tak projektować urządzenia, aby użytkownik nie musiał martwić się o utratę zasięgu. Jednak w niektórych przypadkach dobrze jest pamiętać o pewnych zasadach. Przykładowo: urządzenia posiadające anteną zewnętrzną, działają bardzo dobrze, jeśli antena jest wyprostowana i odstaje od urządzenia. Im bardziej zwinięta i ukryta w gąszczu kabli, tym gorszy zasięg. Należy pamiętać, by nie zamykać urządzeń w metalowych skrzynkach lub nie montować ich blisko metalowych powierzchni, ponieważ bardzo mocno obniża to sprawność anteny.
PK: Jak wygląda proces projektowania anten w FIBARO i jaki rodzaj anten stosowany jest w naszych urządzeniach?
RG: Do projektowania toru radiowego podchodzimy w FIBARO kompleksowo. Na samym początku staramy się wytypować właściwe miejsce dla anteny. Chodzi o to, aby nie była ona przysłonięta przez duże metalowe elementy, które mogą negatywnie wpływając na kształt charakterystyki promieniowania. Nie powinna się znajdować zbyt blisko obudowy, ponieważ jest bardziej podatna na odstrojenie wynikające z niedokładności złożenia obudowy. Jeśli mamy sporo miejsca w obudowie, stosujemy anteny drukowane na płytce PCB – są one najkorzystniejsze z ekonomicznego i funkcjonalnego punktu widzenia (przykładem tutaj jest antena 433MHz w Home Center 3). Jeśli miejsca jest bardzo mało, wybieramy rozwiązanie bazujące na antenie chipowej lub jest to antena zewnętrzna, jak to ma miejsce w przypadku np. FIBARO The Heat Controller. W przypadku anten PCB korzystamy z symulatora elektromagnetycznego, w którym modeluję i modyfikuję antenę w taki sposób, by uzyskać rezonans anteny na pożądanej częstotliwości pracy. Resztę parametrów, sprawdzamy już na gotowym prototypie w dziale R&D FIBARO. Wówczas staramy się wyznaczyć sprawność anteny, jej maksymalne wzmocnienie oraz projektujemy obwód dopasowania, który zwykle składa się z kilku cewek i kondensatorów. Jeśli któryś z parametrów jest niesatysfakcjonujący, projektowana jest kolejna, poprawiona wersja. Podczas całego procesu nie zapominamy o impulsowych regulatorach napięcia, które są źródłem zakłóceń przedostających się do anteny (są to układy zasilania, które zamieniają nam wyższe napięcie w niższe – to najbardziej popularne elementy w każdym urządzeniu elektronicznym). Cały zespół stara się rozlokować je w taki sposób, aby najgłośniejsze ścieżki w obwodzie regulatora maksymalnie oddalić od promiennika anteny lub od krawędzi płytki drukowanej. Antena typu monopol jest najpopularniejszym typem stosowanym w naszych urządzeniach.
PK: Skoro o projektowaniu mowa, powiedz mi proszę, w jakich warunkach i jakie testy przeprowadzane są w/ na urządzeniach FIBARO?
RG: Dbamy o to by pasmo pracy anteny oraz jej impedancja były optymalne dla nominalnych warunków pracy. W każdym produkcie mierzymy sprawność i sprawdzamy charakterystyki promieniowania anteny. Jeśli parametry uzyskane w pierwszym prototypie są dla nas nieakceptowalne, projektujemy kolejny. Ilość iteracji czasem dochodzi do czterech czy pięciu, a wszystko po to, aby użytkownik otrzymał jak najlepszy produkt. Do pomiaru impedancji i separacji między antenami używamy wektorowego analizatora sieci. Natomiast sprawność i charakterystyki promieniowania badamy w komorze GTEM, z zastosowaniem automatycznego manipulatora. Idea pomiarów w komorze GTEM została już wcześniej opracowana. My ją sprawdziliśmy i zrealizowaliśmy w praktyce, budując bardzo przydatny i „spersonalizowany” dla urządzeń FIBARO system pomiarowy.
PK: Jakie parametry są dla Ciebie najważniejsze i z jakimi problemami najczęściej się spotykasz w swojej codziennej pracy?
RG: Najważniejsze jest to, aby charakterystyka promieniowania była jak najbardziej dookolna. Wówczas uzyskujemy równomierne pokrycie. Na drugim miejscu jest sprawność anteny. Staramy się, aby przekraczała ona 50%, co w przypadku anten pracujących w paśmie 2.4GHz i 5GHz jest jak najbardziej realne. Dla małych urządzeń pracujących na częstotliwości 433MHz czy 868MHz (np. FIBARO Keyfob dla 868MHz) spawa nie jest już taka prosta, ponieważ rozmiar urządzenia determinuje sprawność anteny – wtedy akceptowane są niższe wartości. Pożądane jest to, aby antena miała szerokie pasmo pracy oraz nie była szczególnie podatna na odstrojenie. Polaryzacja anteny nie jest już tak istotna, ponieważ w realnym systemie urządzenia montowane są w różny sposób a transmisja wewnątrz budynku powoduje dodatkowe zmiany w tym zakresie. Dlatego bardzo trudno zdefiniować wymagania w tym obszarze. Sama antena to nie wszystko, ważne jest też jej otoczenie. Będąc czułym odbiornikiem pola elektromagnetycznego urządzenia FIBARO rejestrują wszystko co się dzieje dookoła. Często dzieje się to w widmie sygnału wyjściowego anteny: górki szumowe generowane przez przetwornice i czy dyskretne sygnały będące harmonicznymi sygnałów cyfrowych. Problemy występują nawet wówczas, jeśli emisja elektromagnetyczna urządzenia jest niska i spełnia wszystkie wymagane normy. Chodzi o to, że czułość obecnych stosowanych układów radiowych jest bardzo wysoka i jeśli w antenie, w paśmie pracy odbiornika, pojawi się zakłócenie o mocy porównywalnej z czułością odbiornika, tracimy zdolność odbioru najniższych sygnałów. Wtedy zaczyna się najciekawsza część pracy inżyniera, a każdy odzyskany decybel czułości daje dużą satysfakcję z efektów pracy – wtedy użytkownik systemu widzi, że zasięg urządzeń jest silny.
PK: Jak udało się ukryć antenę w Home Center 3 – ile trwały nad tym prace? Co skusiło FIBARO do takiego designu i funkcjonalności?
RG: W Home Center 3 nie jest to jedna antena. Początkowo miało być ich siedem, ponieważ rozważaliśmy zastosowanie interfejsu LTE. Ostatecznie zostało sześć anten, które obsługują interfejsy Z-WAVE, ZigBee, WiFi 802.11abgn, BLE oraz Nice. Zrezygnowaliśmy z interfejsu LTE, a dodaliśmy antenę obsługującą pasmo 433MHz, która jest odpowiedzialna za współpracę z produktami grupy Nice. Integracja tak wielu anten to dość skomplikowany proces. Łącznie z optymalizacją zajęło nam to około dwa miesiące. Na początku definiowaliśmy rozmiar urządzenia, który będzie akceptowalny pod względem designu i ceny. Dział inżynieryjny chciał zachować duże rozmiary urządzenia, by uzyskać wyższe sprawności anten w zakresie niższych częstotliwości (433-870MHz). Duży rozmiar płytki dał nam pewną elastyczność, jeśli chodzi o optymalizację separacji między antenowej, a która jest istotna, jeśli chodzi o powstawanie produktów intermodulacyjnych. Następnie skupiliśmy się na pomiarze charakterystyk promieniowania i optymalizacji impedancji anten. Duża sprawność i w miarę równomierne charakterystyki promieniowania były dla nas priorytetem.
PK: Pamiętasz sprawę iPhone 4 z 2010 roku, gdy telefony gubiły zasięg? Czy dziś takie problemy już się nie wydarzą?
RG:Kojarzę temat. To problem, z którym zmaga się wielu inżynierów. To oni muszą zdefiniować co oznacza typowe użycie i przeprowadzają badania właśnie w takiej konfiguracji. Może się zdarzyć, że ktoś nie uchwyci pewnej właściwości anteny i w rezultacie użytkownik będzie zmagał się z problemem z zasięgiem. W przypadku telefonów sprawa jest szczególnie utrudniona, ponieważ ułożenie telefonu względem głowy i dłoni, może być dowolne. Nie da się zbadać wszystkich konfiguracji, zwłaszcza jeśli czas badań jest mocno ograniczony, a w obecnych czasach konsumenci oczekują spektakularnych premier niemal co 6 miesięcy. Doświadczenie projektanta i testera w takim przypadku są nieocenione. Jeśli uda im się wytypować najgorszy przypadek, zespół będzie mógł się nad nim pochylić. Jeśli nie, zostanie on prawdopodobnie rozpoznany dopiero u użytkownika. Oczywiście takie problemy mogą się pojawiać nadal. Jeśli ktoś decyduje się na umieszczenie aktywnej części anteny na zewnątrz obudowy, musi liczyć się z tym, że jej impedancja może przyjmować skrajne wartości, a w rezultacie sprawność rozwiązania może być różna.
PK: Urządzenia FIBARO działają w tzw. sieci mesh, możesz wyjaśnić, na czym to polega? Jak działa i jakie daje korzyści?
RG: Chodzi o to, że urządzenia, które nie są w bezpośrednim zasięgu z centralą (np. Home Center Lite, Home Center 2 lub Home Center 3) nawiązują z nią kontakt korzystając z pomocy urządzeń pracujących w tej samej sieci. Dzięki temu mechanizmowi pokrycie sieci Z-WAVE w mieszkaniach czy domach może by znacznie większe. Pamiętać należy, że retransmitowana informacja blokuje kanał radiowy nieco dłużej w przypadku komunikacji bezpośredniej, zwiększenie zasięgu osiągamy więc kosztem konieczności retransmisji i zmniejszenia przepustowości kanału radiowego.
PK: Czy posiadając mieszkanie o powierzchni około 40m2 wystarczy, że zaopatrzę się w Home Center Lite? Poradzi sobie z zasięgiem? Jak oceniłbyś zapotrzebowanie na poszczególne centralne FIBARO w zależności o metrażu?
RG: Tak spokojnie, Home Center Lite poradzi sobie w mieszkaniu o powierzchni 40m2. Należy jednak pamiętać, że każdy przypadek jest inny, o czym już wcześniej wspominałem. Jeśli chodzi o zasięg to Home Center 2 i Home Center Lite oferują podobne pokrycia, jednak Home Center 2 ma większe możliwości konfiguracji systemu. Dużym krokiem naprzód, pod tym względem jest centralka Home Center 3, w której zastosowaliśmy dodatkowy moduł wzmacniacza mocy i LNA. Myślę, że nie będzie przesadą, jeśli powiem, że oferuje ona dwukrotnie większe pokrycie niż poprzednie wersje centralek.
Nie ulega wątpliwościom, że rozwój technologiczny oraz ciągle rosnące wymagania ze strony użytkowników wymuszają coraz to nowsze i bardziej zaawansowane rozwiązania. By móc w pełni cieszyć się możliwościami oferowanymi przez smart home FIBARO należy przestrzegać paru ważnych kwestii, a instalację powierzyć profesjonalnemu instalatorowi. To połączenie gwarantuje niezawodność, a w przypadku jakichkolwiek wątpliwości – niemal natychmiastową pomoc.