האנטנה הנכונה

מאת: Yan Vainter, Freescale Semiconductor

האנטנה המומלצת עבור מוצרי צריכה הפועלים לפי תקן 802.15.4 עלולה לא להיות האנטנה הטובה ביותר עבור היישום המיוחד שלך. קיימים כמה משתנים שאותם יש לשקול בעת שילוב אנטנות בתכנון, ותחום תכנון זה יכול להיות לא פעם בלתי מוכר לרבים מאתנו.
המדריך המלא  לפרמטרים הבסיסיים המעורבים בתהליך של בחירה ותכנון אנטנה

מאז שנת 2003, שבה אושרר תקן התקשורת האלחוטית IEEE 802.15.4, שיעור השימוש בו גדל בקביעות. יישומים חדשים וחדשניים ייחודיים לתחומים כגון התעשייה, הרפואה, האבטחה ולתחומים ייחודיים אחרים, ממשיכים להופיע באופן קבוע, כשהם משתמשים בפרוטוקולים פתוחים או קנייניים, ובנויים על שכבות הרשת ברמות הנמוכות יותר שמוגדרות על ידי התקן. בעזרת כלים מפותחים, סיליקון בעלות מופחתת ותנופת תכנון משמעותית שעומדת מאחורי התקן, מוצרים שפועלים לפי תקן 802.15.4 יוצאים עתה לשוק ומציפים את מרחבי שוק הצריכה. הפרוטוקול ZigBee RF4CE הוא הראשון שיניע את גל הפרישה הזה.
לעומת התקן 802.15.4 שמגדיר ערוצי פס ב–868 מגה–הרץ, ב–915 מגה–הרץ וב–2.4 ג’יגה–הרץ, שני ערוצי הפס הנמוכים יותר משמשים רק במקרים מיוחדים שהם ייחודיים לאזור. הערוצים העליוניים 11 עד 26, שנמצאים בפס ISM [בתחום התעשייתי, המדעי והרפואי] ב–2.4 ג’יגה–הרץ נחשבים למועדפים ביותר ברחבי העולם. קיימים כמה יצרנים של מעגלים משולבים [IC] שמציעים פתרונות שלמים [Turn key], כדי שתוכל לבצע את התכנון הבא שלך באמצעות ערוץ תקשורת שמתבסס על ZigBee RF4CE, אבל האנטנה המומלצת עלולה לא להיות האנטנה הטובה ביותר עבור היישום המיוחד שלך. קיימים כמה משתנים שאותם יש לשקול בעת שילוב אנטנות בתכנון, ותחום תכנון זה יכול להיות לא פעם בלתי מוכר לרבים מאתנו. מאמר זה ימנה את הפרמטרים הבסיסיים המעורבים בתהליך של בחירה ותכנון אנטנה, ויציג כמה מבין האסטרטגיות הפופולריות ביותר של אנטנות עבור מוצרי צריכה הפועלים לפי תקן 802.15.4.

התיאוריה שמאחורי הרעיון
אנטנה היא מבנה שממיר בין אנרגיה בהולכה לאנרגיה בקרינה. מרכיבי האנטנה יכולים לכלול: מרכיבים שאליהם האנרגיה מובלת, מרכיבים פסיביים או מרכיבים פרזיטיים, מחזירי אותות רדיו ומשטחי הארקה. עם הגדרה רופפת זו, כל דבר כמעט יכול לשמש כאנטנה או כחלק ממערכת של אנטנה….וזוהי חרב הפיפיות שעמה עלינו לעבוד. אנטנה יכולה להיות פשוטה כמו מוליך על המעגל המודפס, אבל היא גם יכולה להיות מורכבת אם נביא בחשבון מוליכים, ברגים, מהדקים, מארזי פלסטיק, ידי משתמשים ודברים אחרים שנמצאים בסביבה.
איתור האנטנה הנכונה ליישום שלך דורש התחשבות בו–זמנית בפרמטרים רבים, כולל: מקום זמין, חומרים, מבנה, מבנים סמוכים, סביבת היישום, עמידות, תדר מרכזי (תדר תהודה), נצילות, עכבה (אימפדאנס), תבנית הכיווניות והקרינה, קיטוב, רוחב פס ולבסוף גם הגבר. אנטנות הן מבנים דו–כיווני: מה שמתאים בכיוון השידור ייחשב לנכון גם בהקשר לצד הקליטה. מתוך עניין שבהסכמה, אנטנות מתוארות ברוב המקרים במונחים של שידור.

אנכית באורך 1/4 למבדא”]סוגים שונים של אנטנות
האנטנה המושלמת קיימת רק במודל הייחוס המתמטי, היא מקור נקודתי בעל תבנית רב–כיוונית ותבנית של קרינה אחידה באופן טהור. הדיון בנושא הגבר של אנטנה ממשית, נעשה תמיד ביחס למקור קרינה מושלם זה. אנטנה המתוארת כבעלת הגבר של 4 dBi, היא אנטנה שיש לה הגבר של +4 dB בכיוון העיקרי שלה ביחס למודל האחיד הזה.
אנטנת “שוט” [whip] באורך 1/4 אורך גל [למבדא] היא אנטנה שמשמשת לעתים קרובות, ניתנת למימוש באופן מעשי ומשמשת לייחוס ברוב המקרים. אנטנה זו בנויה כמוט מאונך למשטח אדמה. אורך המוט הוא 1/4 למבדא, כפי שנובע מהחישוב:
הקיטוב של האנטנה מתאר את המישור של השדה החשמלי שלה. כשמדובר באנטנת שוט, המרכיב שאליו האנרגיה מובלת מגדיר את מישור השדה החשמלי. אנטנות שוט ניצבות בדרך כלל באופן אנכי, ולכן מתייחסים אליהן בדרך כלל כאנטנות בעלות קיטוב אנכי. לאנטנות שוט יש תבנית קרינה אחידה. לעתים קרובות מתייחסים אליהן בטעות כאל אנטנות רב–כיווניות, אך הן אינן כאלו, כלל וכלל. השם הבלתי הולם “רב–כיווניות “ מגיע מההנחות האופטימיות לחלוטין ששתי האנטנות במערכת שבה מדובר נמצאות באותו מישור גובה ובטווח ראייה זו מזו. השם הבלתי הולם נובע מהתעלמות מציר ה-Z. ביישומים לצריכה, אסור לנו לאפשר קיום הפשטות כאלו. אנטנות יכולות לא פעם להיות מוצבות במישורי גובה שונים ובכיוונים שונים.
את האנטנות מסוג שוט (ידועות גם כאנטנות חד–קוטביות [monopole]), קל להקים, עם מוט פשוט שמשמש כמרכיב שאליו האנרגיה מועברת, אשר ניצב באופן אנכי למישור ההארקה. באופן כללי, ככל שמישור ההארקה גדול יותר, כן ייטב, אבל באופן מעשי, גודל מישור ההארקה מוגבל בדרך כלל למבנים קיימים, הווה אומר למארז המתכתי של היחידה. לאנטנות שוט יש יתרון על פני אנטנות אחרות שבהן נדון במאמר זה, בהיותן לרוב, מבנים חיצוניים, ועוצמתן לא מונחתת על ידי מארז ההתקן. התכונה השלילית של הנאמר לעיל היא שלאנטנות אלו עלולות להיות בעיות הכרוכות בעמידות ואסתטיקה. אם יחידת האנטנה אמורה להיות מותקנת במיקום קבוע מראש, בדרך שאינה גורמת נזק, אנטנת שוט היא כנראה הדרך שבה צריך ללכת.
כאשר הגובה של אנטנה חד–קוטבית הופך להיות גורם בעל משמעות, אפשר להשתמש באנטנת סליל. אנטנת סליל היא בעיקרון אנטנה חד–קוטבית שמקופלת בדרך מסוימת. הקיפולים משמשים להקטנת אורך האנטנה, מבלי שרוחבה יגדל במידה רבה. אך עם זאת, מאחר שכל האפשרויות המועלות כאן הן בבחינת פשרות, במקרה זה במיוחד, רוחב הפס של אנטנת סליל יהיה קטן מרוחב הפס של האנטנה החד–קוטבית, שמולה אנו עורכים השוואה.
אם אין בנמצא מישור ההארקה מתאים, האפשרות של אנטנה דו–קוטבית באורך 1/2 למבדא תהיה מתאימה יותר. אנטנה דו–קוטבית היא באופן בסיסי, שתי אנטנות חד–קוטביות באורך 1/4 למבדא על אותו קו ישר, כל אחת מהן מקבלת אותות בהפרש פאזה של 180 מעלות בהשוואה לאחרת, ואין צורך במישור ההארקה או במרכיבים מחזירי אותות רדיו. אם נדרש הגבר גבוה יותר ומקובלת עלינו הפשרה של תבנית קרינה צרה יותר, עומדות לרשותנו אפשרויות רבות יותר: אנטנות חד–קוטביות מועמסות [loaded], אנטנות יאגי [Yagi] (המוכרות גם בשם יאגי–אודה), אנטנות לוגריתמיות רחבות–תחום [log periodics], אנטנות ריבועיות [quad], אנטנת צלחת להחזרת אותות רדיו, אנטנת דמוית שופר [Horn] ומבחר גרסאות שנגזרות מהן. בהמשך הדיון נדלג מעל הנושא הרחב מאוד של תכנון אנטנות חיצוניות, ונישאר ממוקדים בתרחישים האופייניים יותר של יישומי אלקטרוניקה לצריכה.
עבור רוב היישומים לצריכה, אסתטיקה ועמידות יכתיבו את דפוס המחשבה שעדיף “בתוך הקופסה”. כאשר המדובר באנטנות הנכללות בתוך מארז סגור, מבחר האפשרויות המעשיות שלנו לאנטנה מצטמצם לאנטנות חוט חופשי [loose wire] או אנטנה מסוג שבב [chip], או מבנים שממומשים בחלקים המתכתיים של המעגל המודפס, בהן נכללות: אנטנת מוליך בסליל, אנטנה דו–קוטבית, אנטנה דו–קוטבית מקופלת, אנטנת שטח טלאי [patch], אנטנה במבנה L ואנטנה במבנה F.

איור 2: דוגמאות של אנטנת סליל חד–קוטבית, מתפשרים על רוחב הפס למען הקטנה בגובה

אנטנה מסוג חוט חופשי
אחת האפשרויות יכולה להיות אנטנה מסוג חוט חופשי [loose wire antenna], בדרך כלל היא מודבקת בסרט דביק או בדבק לאורך המשטח הפנימי של המוצר המוגמר. גישה זו היא אנטנה חד קוטבית באורך 1/4 למבדא מצורפת לחלק הפנימי של המוצר המוגמר. אמנם קונפיגורציה כזו יכולה לענות על נושאים הקשורים באסתטיקה ועמידות, אך קשה מאוד למצוא מישור ההארקה מתאים ותבניות קרינה יכולות להיות חריגות במידה רבה מאוד.

אנטנה מסוג שבב
היתרון המשמעותי ביותר של אנטנות מסוג שבב [chip antenna], הוא בגודלן הקטן. היחידות המולחמות האלו תופסות שטח קטן מאוד על המעגל המודפס. על פס ברוחב 2.4 ג’יגה–הרץ, אנטנות מסוג שבב יכולות להיות קטנות, בשטח של עד כדי 14 מ”מר ובגובה של 1 מ”מ בלבד, אך על פי המלצת היצרנים, יש צורך להשאיר להן מרווח מינימלי נוסף כדי לעמוד בדרישות הביצועים המינימליות המפורסמות על ידי היצרנים. ואולם, התשלום עבור החיסכון במרחב הוא פשרה בביצועים ובעלויות. ביישום הסופי, תגלה שלאנטנות שבב יכולות להיות תבניות קרינה חריגות (אם כי חוזרות על עצמן) וההגברים גרועים למדי, בדרך כלל בטווח שבין –1 dBi לבין –4 dBi. כאשר בוחנים את העלות, כל רכיב נוסף ברשימת החומרים, אף אם הוא אנטנת שבב קטנה, מוסיף משהו, וזה המקום שבו אנטנות על מעגל מודפס ממש מצטיינות, מפני שהן לא יותר מתבניות מתכת על המעגל המודפס. על אף שהאזור שעל המעגל המודפס אינו פנוי, עדיין כאשר מדובר באנטנות מודפסות אין צורך לקנות דבר.

אנטנות על מעגל מודפס
אין חוק שאוסר עליך פשוט לחקות דוגמה של אנטנה חד–קוטבית או של אנטנת סליל ולהצמיד אותה למעגל המודפס שלך, אבל העניין הוא שברוב המקרים אפשר למצוא אסטרטגיות יעילות הרבה יותר. בהשוואה לאנטנות אחרות בעלות צורה, אנטנה חד–קוטבית משתמשת במקום לא מבוטל על המעגל המודפס, ויש לה צורך באזורי פנויים נרחבים יותר סביבה, כדי למנוע תופעות חריגות משמעותיות בתבנית הקרינה ובעיות אחרות של העמסה. כמו כן, מישור ההארקה המאונך – הנחוץ כדי לספק את מחצית הרפאים [phantom] המוחזרת של המרכיב המקבל את האנרגיה באנטנה החד–קוטבית או באנטנת הסליל  – אשר אינו זמין בדרך כלל.

איור 3: דוגמאות של אנטנות דו–קוטביות מכופפות ומקופלות

אנטנות מכופפות ואנטנות מקופלות
אנטנה דו–קוטבית של מחצית אורך גל פותרת את הבעיה הכרוכה בצורך במישור ההארקה מאונך ומבטלת אותו, אך אורכה של אנטנה דו–קוטבית רגילה הוא פי שניים מהאורך של אנטנה חד–קוטבית באורך 1/4 למבדא, וכך בעיית השטח הנדרש הופכת להיות בעיה כפולה. קיימות כמה גרסאות של מבנה של אנטנה דו–קוטבית שיכולים לסייע בבעיית גודל זו. את האנטנה החד–קוטבית אפשר לכופף [bent antenna] או אפילו לקפל [fold antenna] לאחור על עצמה, וליצור דוגמה של לולאה או של תבניות סגורות דומות כלשהן.
כיפוף של אנטנה דו–קוטבית יכול להקטין את האורך הכולל, אך זה קורה כשמאריכים את הגובה של המבנה המוגמר. התועלת הנלווית של תכנון אנטנה דו–קוטבית מכופפת היא בכך שהכיפופים נוטים למלא את האזורים שקיימים בתבנית הקרינה הקלאסית של אנטנה דו–קוטבית, שצורתה כשל “סופגניה”, אשר במצב אחר היו נחשבים לחלשים יותר. אך עם זאת, כיפוף של אנטנה דו–קוטבית גורם לעיוותים בתבנית הקיטוב של השדה החשמלי והופך את האנטנה ליעילה פחות, באופן כללי. כיפוף של אנטנה דו–קוטבית על עצמה לכל אורכה יוצר אנטנה דו–קוטבית מקופלת.
הדוגמה הפשוטה ביותר של אנטנה דו–קוטבית מקופלת היא אנטנת לולאה [loop antenna], דוגמה מוכרת למדי, בהיותה אנטנת UHF קטנה, שמצויה ברוב מכשירי הטלוויזיה עם אנטנות משולבות מהסגנון הישן. אנטנה דו–קוטבית מקופלת יכולה להקטין את השטח הכולל הדרוש מאנטנה דו–קוטבית רגילה, אבל לפעמים יש לה גם כמה תכונות מועילות נוספות בכך שהיא מספקת רוחב פס רחב במיוחד. ועם זאת, היתרונות של אנטנות דו–קוטביות ואנטנות דו–קוטביות מקופלות לא תמיד מספיק משמעותיים, כדי שנראה בהן את הפתרון המתאים ביותר עבור רוב יישומי האלקטרוניקה לצריכה.

איור 4: הצורות של אנטנת L הפוכה ואנטנת F הפוכה

אנטנה מסוג שטח טלאי
אנטנת מסוג שטח טלאי [patch antenna] היא פשוט שטח מלבני של מוליך שלתוכו מועברת בהולכה אנרגיית תדר רדיו [RF]. מידות ציר ה–X וציר ה–Y של אנטנת שטח הטלאי המלבנית הן בסדר גודל של 1/2 למבדא, והופכים את המבנה למבנה תהודה בתדירות הרצויה. באופן כזה לא ניתן למצוא כאן חיסכון במקום.
אנטנת L
אנטנה מסוג L (לעיתים מתייחסים אליה כאל אנטנת L הפוכה) היא גרסה של אנטנה חד–קוטבית פשוטה על מעגל מודפס באורך 1/4 למבדא. אלא שכאן, יש באנטנה החד–קוטבית כיפוף של 90 מעלות. בדומה לאנטנה דו–קוטבית מכופפת, האנטנה החד–קוטבית המכופפת מקטינה את החומרה של חלק האפס בתבנית הקרינה הטורואידית של אנטנה חד–קוטבית.
כאן הוא המקום להביא הסבר קצר על נושא תיאום עכבות (אימפדאנס). על מנת להעביר את האנרגיה בצורה הטובה ביותר, עכבת הכניסה של האנטנה אמורה להיות בתיאום עם עכבת המוצא של המשדר. ניתן לשפר את תיאום העכבות של אנטנת L הפוכה על ידי חיבור להארקה של אחת מרגלי ה–L והזרקת אנרגיה לנקודה שמעוררת התנהגות תהודה. וזה מוביל אותנו לאנטנה מסוג F.

אנטנת F
אנטנה מסוג F (באופן דומה, מקובל להתייחס אליה כאל אנטנת F הפוכה) היא באופן בסיסי אנטנה חד–קוטבית מכופפת עם נקודת חיבור לתיאום עכבות. אנטנה מסוג F היא לעיתים קרובות האסטרטגיה המועדפת ברבים מהמוצרים הקומפקטיים שפועלים ברוחב פס של 2.4 ג’יגה–הרץ. המבנה יוצר איזון נאות בין גודל קומפקטי, ביצועים ועלות.

תיאום
אנרגיה שמוזרקת אל תוך אנטנה יכולה להיות מועברת בקרינה כאנרגיית תדר רדיו, יכולה להתבזבז כחום, או יכולה להיות מוחזרת. כמות האנרגיה המוחזרת אל תוך מוצא המשדר, היא פונקציה של תיאום העכבות. האנרגיה המועברת בקרינה ביחס לאנרגיה המבוזבזת כחום, היא אמת המידה שלפיה האנטנה תיחשב ליעילה.
לכל אחת מהאנטנות שהוזכרו לעיל יש עכבת כניסה אופיינית. באופן דומה, גם למעגלי המשדרים והמקלטים השונים הקיימים כיום יש עכבות יציאה וכניסה אופייניות, בהתאמה. לחלק מהאנטנות המוזכרות יש צורך במעגל דוחף הפרשי (מאוזן), לחלקם יש צורך במעגל בסיומת יחידה (לא מאוזן). הדבר דומה למצב במעגלים משולבים של מקמ”שים. כמעט בכל המקרים, יש צורך ברשת תיאום כדי לחבר את המקמ”ש לאנטנה. רשת התיאום יכולה לכלול שנאי אשר מתאם בין רשת מאוזנת לרשת בלתי מאוזנת. השנאי יכול גם לשמש כשנאי עכבות N:1. מעגלי תיאום יכללו גם בדרך כלל, מרכיבים ללא הפסדים (כלומר לא התנגדותיים) להשלמת מעגל התיאום.
בניגוד לאנטנה, שלה יש מאפיינים של דו–כיווניות, מה שמתאים לצורך שידור מתאים גם לצורך קליטה, על מעגלים משולבים אקטיביים של מקמ”שים, לא תמיד אפשר לומר אותו דבר. על אף שבדרך כלל הם די קרובים, עכבת המוצא של המשדר ועכבת הכניסה של המקלט לא תמיד נמצאים בתיאום. יש לקחת זאת בחשבון בעת תכנון מעגל התיאום. עבור מקמ”שים מרובבים בחיבור יחיד, יש צורך בדרך כלל להגיע לפשרות מסוימות. התיאום של המשדר או של המקלט יהיה צריך לא מושלם, או שמא מעגל התיאום הסופי יהיה פשרה בין שני הפתרונות האידיאליים. אנו ניצמד למקובל ונשלים את הדיון במונחים של שידור.
בהנחה שעכבת המוצא המרוכבת של המשדר ידועה, לעכבת המוצא האידיאלית של האנטנה (כולל רשת התיאום) תהיה עכבת כניסה נפרדת. (למעשה אין זו המציאות. עכבת כניסה נפרדת בצורה מושלמת תספק את תיאום ההספקים הטוב ביותר, אם כי אולי לא את תיאום ספרת הרעש הטובים ביותר.)
VSWR (יחס גלים עומדים במתח) היא אמת המידה להצלחה של התיאום. את הערך VSWR אנו מחשבים לפי הנוסחה הבאה:

ZL הוא הערך המרוכב של עכבת הכניסה של האנטנה, כולל רשת התיאום שלה.
אם נגיע ליחס VSWR נמוך (1:1 הוא הטוב ביותר, אך בדרך כלל גם 1.5:1 נחשב לסביר) והנצילות של האנטנה טובה, יש לנו מערכת של אנטנה מתאימה לעבודה. אם עמדנו בקריטריונים הנותרים של גודל, אסתטיקה ועלות, הרי שהגענו לפתרון סופי אפשרי.
בסביבות בלתי צפויות אלו של תדרים גבוהים, מארזים צפופים ואילוצי תקציב הדוקים, תכנון אנטנה בשוק צרכני 2.4 ג’יגה–הרץ הוא נושא מאתגר. ניתוח קפדני דורש כלים וניסיון מיומנים. האפשרות הראשונה שלך צריכה להיות לשקול העתקה מדויקת של תכנון האנטנה שמוכתב על ידי היצרן. אם למרות זאת אתה מוצא שהיישום דורש משהו שונה ואתה עומד מול תכנון חדש, הייה סמוך ובטוח שרבים הלכו בנתיב הזה לפניך ואתה יכול להסתמך על הניסיון המצטבר של קהילת המתכננים, כדי לצמצם את מערך השיקולים שלך מהר יותר.