モノのインターネット (IoT) は、近年、ほぼすべての人の生活と仕事に影響を与えています。一部の人にとって、IoT への取り組みは、スマートウォッチを使用して食事や運動の習慣を追跡するのと同じくらい簡単です。また、電力会社のスマート メーターを利用してエネルギーを節約し、請求書を管理することもできます。これらの取り組みは、IoT アプリケーションにおけるワイヤレスとアンテナの選択の重要性を強調しています。

その対極では、家電製品、照明、暖房、ドアロックとセキュリティ、ソーラーパネルなどあ​​らゆるものを接続し、ホームデジタルアシスタントを通じて制御および管理することが可能になります。

家庭環境の外では、産業およびビジネスのユースケースは通常、より多様です。これらは、建築システムを自動化して効率を向上させ、二酸化炭素排出量を削減することを目的としています。また、プロセス制御、事業計画、資産管理、機器メンテナンスなどを強化するために、膨大な量のデータを収集することも含まれます。このデータは、エネルギーと廃棄物の管理、さらには新製品の概念化と設計の改善に役立ちます。

最新の無線プロトコル

ワイヤレス テクノロジーは、IoT デバイスを接続するためのいくつかの固有の強みを提供します。重要な利点として柔軟性が際立っており、物理的なケーブル配線の制約を受けずに、さまざまな場所にデバイスを導入できます。家庭、オフィス、工場に新しい電線を設置すると、混乱が生じる可能性があります。ワイヤレスとアンテナの選択は、特に大規模な IoT 導入の場合、多くの場合コスト効率が高く、簡単で安価な拡張性が可能になります。

モバイル性ももう 1 つの利点であり、ウェアラブルや資産追跡などのアプリケーションに強力な実現要素を提供します。さらに、バッテリ駆動の IoT デバイスでは、ワイヤレス テクノロジの電力効率が重要になる場合があります。

ワイヤレスの選択

IoT アプリケーションで一般的に使用される標準化されたワイヤレス テクノロジには、数センチメートルの距離での短期間のデータ交換に最適な NFC が含まれます。 NFC リーダー デバイスによって放射される RF フィールドに含まれるエネルギーは、要求に応じて記憶されたデータを取得および送信するために受信回路に電力を供給するのに十分な場合があります。

Bluetooth 接続はモビリティを提供し、特定のアプリケーションの要件を満たすようにデータ レート、通信範囲、消費電力を柔軟に設計できるようになります。ポイントツーポイントおよびメッシュ接続が可能で、最新バージョンでは方向検出と位置検知もサポートされています。 Zigbee は当初からメッシュ ネットワーク用に考案されており、同様の特性を備えています。

より長い範囲、より高いデータ速度、またはより大きな接続容量が必要な場合、ユーザーは Wi-Fi を好む場合があります。 Wi-Fi 6 までのいくつかの Wi-Fi 世代が引き続きサービスを提供しており、理論上の最大データ レートは 9.6 Gbps です。 Wi-Fi 6 は、ネットワークに接続する際の干渉と待ち時間を軽減するための柔軟なチャネル割り当てと技術も備えています。さらに、ビーム フォーミングによりデータ伝送効率が向上し、WPA3 のセキュリティが強化されます。

In IoTアプリケーション より長い航続距離とより優れた機動性が必要な場合には、次のような選択肢があります。 セルラーおよび低電力 LoRa や Sigfox などの広域ネットワーク (LPWAN) テクノロジー。レガシー ネットワークがオフになると、古い 2.5G および 3G データ接続は、最新の LTE および 5G ネットワークを使用する LTE-M や NB-IoT などの標準に取って代わられます。これらは、通常、少量のデータで構成される頻繁な交換を必要とする IoT アプリケーションのニーズを満たすように最適化されています。

アセット トラッカーなどのデバイスは、ナビゲーション衛星群 (一般に全地球航法衛星システム (GNSS) と呼ばれます) に依存できます。例には、GPS、Galileo、GLONASS、BeiDou などがあります。マルチコンステレーション受信機は、より堅牢で堅牢な位置データの可用性から恩恵を受けることができます。

一部の受信機は、衛星通信事業者が提供する特別な高精度サービスへのアクセスを提供できます。トラッカーは、埋め込み GNSS サブシステムを使用して位置を計算し、LPWAN や携帯電話などのワイヤレス接続を介してこの情報をホスト IoT アプリケーションと共有できます。

ワイヤレスとアンテナの選択

基本的に、 アンテナ RF 搬送波周波数の共振を利用して、電磁領域と電気領域の間で信号を転送します。これには、アンテナの実効長が搬送波信号の波長の特定の部分であることが必要です。

したがって、ワイヤレスとアンテナの選択を検討する際には、サイズが重要になります。サイズは、アンテナが動作する周波数帯域に直接関係します。これは、選択したワイヤレス技術と関連する動作周波数によって異なります。

さらに、アンテナのパッケージングは​​コンポーネントの選択に影響を与える重要な問題です。 IoT デバイスには厳しいサイズ制限が適用される場合があります。このため、アンテナは高性能でありながら小型であることが求められます。特に、過酷な条件にさらされる可能性があり、長期間使用し続けることが予想されるリモートセンサーやスマートメーターなどのアイテムでは、シールが必要になることがよくあります。

PCB マウント、内部マウント、外部アンテナの選択肢を提供するポートフォリオは、IoT アプリケーションでよく使用される特定の周波数帯域とワイヤレス テクノロジに最適化されており、設計者がアプリケーションに最適なタイプを選択するのに役立ちます。このようなポートフォリオは、さまざまなタイプとサイズ、はんだ付けまたは同軸接続などの選択肢、NFC や GNSS アンテナなどの特定のテクノロジーに最適化された部品を提供します。

NFCアンテナ

NFC アプリケーションのワイヤレスとアンテナの選択には、いくつかの要因が影響します。 NFC は 13.56MHz で動作するため、最適な通信を確保するには、この特定の周波数で共振するようにアンテナを設計する必要があります。巻線アンテナとループ アンテナは、一般に既製のコンポーネントとして入手できます。

有効なアンテナの長さは動作周波数に関連しますが、NFC アンテナは、読み取りデバイスによって発せられる RF フィールドからエネルギーを収集して、IoT デバイスの組み込みマイクロコントローラー、メモリ、およびセキュリティ IC を含む追加のハードウェアに電力を供給する役割もあります。読者が要求したデータを収集して送信するため。

最終的な選択は、デバイスのフォーム ファクターや必要な読み取り範囲などの変数に依存します。一般に、小さいアンテナはコンパクトですが、読み取り範囲が短くなり、大きいアンテナは読み取り範囲が長くなります。デバイスまたはアプリケーション内の利用可能なスペースによって、アンテナのサイズが決まります。

一般に、一部の NFC アンテナは他のアンテナよりも方向の影響を受けやすいため、特定のモデルを選択し、デバイス内の最適な位置を決定する際には特別な注意が必要になる場合があります。回路基板に統合することも、筐体に固定することもできます。

金属物体、電気的干渉、その他の環境要因がアンテナの性能に影響を与える可能性があります。シールドや適切な配置が必要な場合があります。電力伝送を最大化し、信号損失を最小限に抑えるには、NFC チップ/モジュールとアンテナ間の適切なインピーダンス整合が不可欠です。

一般的に使用されるテクノロジー用のアンテナ

Bluetooth や 2.4 GHz で動作する Wi-Fi などのワイヤレス テクノロジ、さらにセルラー テクノロジや LPWAN テクノロジについては、PCB マウント アンテナ、内部アンテナ、および外部アンテナの幅広い選択肢があります。選択は、デバイスのフォーム ファクター、サイズの制約、必要な通信範囲などの要因によって異なります。

チップサイズのアンテナは、産業、科学、医療アプリケーション用の 2 GHz 周波数帯域 (ISM 帯域と呼ばれる) の Bluetooth および Wi-Fi 3/4/2.4 アプリケーションで使用できます。

外部アンテナは、モノポールまたはダイポールのいずれかの設計になる傾向があります。モノポール タイプは 1 本のワイヤで構成されており、電波を反射して放射パターンの形成に役立てるためにグランド プレーンが必要です。パターンは全方向性です。

ダイポール タイプは、ギャップによって分離された 2 つの導電性要素を備えています。これらは多くの場合、半波長アンテナであり、通常はモノポールよりも長くなりますが、通常はゲインが大きく、放射パターンは双方向です。アンテナのゲインは、デバイスの通信範囲とカバー範囲に直接影響します。ゲインが高いアンテナは、より長い通信範囲を提供できます。

多くは、車、バン、建設車両などの移動可能な資産に取り付けられたトラッカーなどの小型デバイスのセルラー接続を選択しています。このような用途では、目立たない設置を可能にしたり、壊れやすい部品を危険から遠ざけたりするために、内部アンテナが適切な場合があります。一方、より大きな外部アンテナは、セルラー接続を介して複数の IoT エンドポイントからクラウドにデータを送信するように設計されたゲートウェイなどのデバイスに適している場合があります。

GNSSアンテナ

GNSS アンテナには、セラミック パッチ アンテナなど、さまざまなスタイルがあります。タイプとしては、衛星信号に対する高い感度を保証する円偏波を備えています。衛星の位置を使用して資産追跡デバイスなどの機器を設計する場合、設計者は、選択したアンテナが関連するコンスタレーションをサポートしていることを確認する必要があります。

まとめ

サイズとパッケージングは​​、IoT アプリケーション用のアンテナを選択する際に考慮すべき重要な問題です。大型の外部アンテナは、最も有利な RF パフォーマンスを提供する傾向があります。一方、環境上の課題に耐え、使いやすさと持ち運びを容易にするために内部実装が好まれることがよくありますが、サイズの制約が極端な場合には表面実装アンテナが解決策となります。選択は、電気的特性と物理的特性の最適な組み合わせを求める設計者の友人です。

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• 情報源： https://www.iotforall.com/antenna-design-priorities-in-iot-applications