Eine 2,4-GHz-Nahfeld-Ringantenne für Datenübertragung mit hoher Datenrate und Sicherheit im Nahbereich für Drehgelenke
AUSZUG
Sicherheitskameras verwenden heutzutage sowohl für die Strom- als auch für die Datenleitung einen Schleifenring von der sich drehenden Kamera zur Überwachungsinfrastruktur. Die Zuverlässigkeit ist problematisch und die Installation komplex. Daher ist eine Lösung mit einer kontaktlosen Strom- und Datenleitung erforderlich, um die Zuverlässigkeit bei gleichzeitiger Verringerung der Komplexität zu erhöhen. Während die kontaktlose Stromversorgung für die Kamera durch die Induktionskupplung für den Nahbereich umgesetzt werden kann, stellt die Datenleitung uns vor mehrere Herausforderungen. Für eine zuverlässige Übertragung des hochauflösenden H.264-Videostreams wird das Wi-Fi-Protokoll mit mindestens 54 Mbit/s vorgeschlagen. Um diese hohe Datenrate bei der Drehung der Kamera zu erreichen, muss jedoch während des gesamten Drehvorgangs von 360 Grad ein guter Signalempfang der Empfangsantenne erreicht werden. Andererseits muss jedoch der Signalverlust für einen hohen Sicherheitsgrad unter einem bestimmten Niveau gehalten werden, um zu vermeiden, dass das Video von einem Abhörgerät in der Nähe erfasst wird. Das bedeutet, dass wir eine Antenne mit geringer Rückflussdämpfung |S11|, hohem Empfangssignalverhältnis |S12| und geringerem Lecksignal P_leak entwickeln müssen, was im Antennendesign mitunter widersprüchlich ist. Unter Verwendung des Werkzeugs zur elektromagnetischen Simulation ANSYS HFSS wird eine 2,4-GHz-Nahfeld-Ringantenne mit kreisförmiger Polarisation entwickelt. Die vorgeschlagene Antenne besteht aus einem Ring aus einem Mikrostreifen-Übertragungsband und einer HF-Last. Durch die Terminierung des Übertragungsbands mit dem 50-Ohm-HF-Widerstand verhält sich die Antenne wie eine Wanderwellenantenne und ist omnidirektional im Muster sowie kreisförmig polarisiert. Im schlimmsten Fall weist die vorgeschlagene Antenne die Impedanzbandbreite mit Rückflussdämpfung |S11| = -15 dB, das Stärkeverhältnis des Empfangssignals |S12| = -26 dB und das erfasste Signalverhältnis P_tx = -56 dB auf, wodurch das Betriebsband von 2,4 bis 2,49 GHz während des gesamten Drehgangs für phi = 0–180 Grad abgedeckt wird. Im Vergleich zur herkömmlichen Resonanzantenne mit |S11| = -8 dB, |S12| = -37 dB und dem erfassten Signalverhältnis P_tx = -35 dB im schlimmsten Fall hat die vorgeschlagene Antenne aufgrund der 7 dB besseren Rückflussdämpfung, der 11 dB beim Empfangssignal und der 21 dB beim Lecksignal einen überlegenen Vorteil. Auch die Messergebnisse bestätigen die Vorteile. Diese Antenne wird in der drahtlosen Kamera des Kunden unter Verwendung einer kontaktlosen Stromversorgung eingesetzt, wobei das Videosignal zwischen zwei Antennen effizient übertragen und empfangen wird, während die Informationssicherheit mit sehr geringem Signalverlust an die Umgebung gewährleistet ist. Somit können sowohl Zuverlässigkeit als auch Sicherheit für die Sicherheitskamera erreicht und garantiert werden.
PROBLEMSTELLUNG
Die Herausforderungen bei der Entwicklung von Antennen für drahtlose Kameras mit kontaktloser Stromversorgung lauten wie folgt:
- Wenig Platz. Die Breite der Antenne beträgt maximal nur 6 mm, da die Antenne mindestens 4 mm von der Induktionsspule entfernt sein muss, welche für die kontaktlose Stromversorgung verwendet wird.
- Die Kamera dreht sich zur Umgebungsüberwachung um die Achse, sodass die empfangene Leistung konstant gehalten werden muss, wenn sich die Sendeantenne dreht. Für eine herkömmliche Antenne ist es aus zwei Gründen schwierig, diese Anforderung zu erfüllen:
- Die empfangene Leistung ist umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstands zwischen Senderantenne (Tx) und Empfängerantenne (Rx).
- Antenne Tx und Antenne Rx sind linear polarisiert. Polarisationsfehlanpassungen treten auf, wenn sich Antenne Tx dreht.
3. Bei der Sicherheitskamera des Kunden muss die von der Antenne an die Umgebung abgestrahlte Verlustleistung sehr gering sein, damit eine Standardantenne das Kommunikationssignal nicht abfangen kann.
Deshalb müssen wir eine Antenne mit geringer Breite entwickeln: Ihre elektromagnetische Feldleistung konzentriert sich in der Nähe und wird gleichmäßig über ihre Länge verteilt. Darüber hinaus muss die Antenne kreisförmig polarisiert sein, um eine Polarisationsfehlanpassung zwischen zwei solchen Antennen während der Drehung zu vermeiden. Durch den Einsatz von ANSYS HFSS besteht eine Ringantenne aus einer Mikrostreifenleitung mit schmaler Masse. Ein 50-Ohm-HF-Widerstand wird entwickelt, um diese Herausforderungen zu bewältigen. Die Messergebnisse der Antennenprototypen, die auf Simulation basieren, haben bestätigt, dass die Kundenanforderungen erfüllt werden.
METHODEN UND ERGEBNISSE
Simulationsmodell in einer ANSYS HFSS-Umgebung aufbauen und Muster fertigen
Das Simulationsmodell der Antenne wird in einer ANSYS HFSS-Umgebung aufgebaut. Abbildungen 1 (a) und (b) zeigen die Geometrie der vorgeschlagenen Antenne. Der Hauptkörper der Antenne ist eine kreisförmige Mikrostreifenleitung, die mit einem 50-Ohm-HF-Widerstand abgeschlossen ist. Die Mikrostreifenleitung weist auf der einen Seite eines kostengünstigen FR4-Substrats der Dicke d = 0,762 mm eine Leiterbahn der Breite w1 sowie auf der anderen Seite des Substrats einen weiteren Leiter der Breite w2 = 6mm auf. Die Innen- und Außenradien des FR4-Substrats betragen R1 = 50 mm bzw. R2 = 60,5 mm. Der konzentrierte Anschluss (Lumped Port) wird an einem Ende der Mikrostreifenleitung als Einspeisequelle verwendet. Die Anschlussimpedanz beträgt 50 Ohm. Am anderen Ende des Übertragungsbands wird ein konzentrierter 50-Ohm-Widerstand modelliert.
Abbildung 1. Geometrie der vorgeschlagenen Antenne: (a) Draufsicht, (b) Querschnitt.
Mit der Formel (1) kann die Breite der Signalspur der vorgeschlagenen Mikrostreifenleitung W1 bestimmt werden. Der Wert muss mit einer Software für die EM-Simulation weiter optimiert werden. Abbildung 2 zeigt den Prototyp der vorgeschlagenen Antenne: Ein steifes Kabel mit SMA-Steckverbinder ist mit einem Ende der kreisförmigen Mikrostreifenleitung verbunden. Eine HF-Last ist mit dem anderen Ende verbunden.
Leistung der vorgeschlagenen Antenne
Abbildung 3 zeigt das vereinfachte Simulationsmodell der Sicherheitskamera mit kontaktloser Stromversorgung und Datenleitung in HFSS. Die Kamera befindet sich auf dem unteren Teil, der sich um den Metallschaft in der Mitte dreht. Der obere Teil ist mit dem Netzteil und dem Rechenzentrum für die Bilder verbunden. Der Leistungssender (PTx), der aus dem Sendestromkreis und der PTx-Spule besteht, und der Wi-Fi-Empfänger, der aus der drahtlosen Schaltung und der Antenne Rx besteht, sind im oberen Teil untergebracht, während sich der Leistungsempfänger (PRx) und der Wi-Fi-Sender im unteren Teil befinden. In der Struktur werden die Spulen PTx und PRx für die kontaktlose Stromversorgung verwendet. Die Spulen sollten im Simulationsmodell platziert werden, da sie sich auf die Antennenleistung auswirken.
Die Antenne wurde durch Simulation mit HFSS untersucht und entwickelt, um Kosten und Zeit zu sparen. Sobald sie eine gute Leistung zeigt, werden zur Überprüfung der Simulation die Antennenprototypen erstellt. Für dieses Design werden 2 Exemplare hergestellt und mit dem Vektor-Netzwerkanalysator Keysight E5071C und der reflexionsfreien Satimo 32-Kammer getestet.
Abbildung 3. Struktur einer drahtlosen Kamera: (a) Vorderansicht, (b) Draufsicht (phi = 0 gibt die Position, an der die Einspeisepunkte zweier Antennen sich überschneiden, in der Draufsicht an.)
Abbildung 4 veranschaulicht die Energieverteilungsbeziehung zwischen der Antenne und der Umgebung, wobei P_tx die Eingangsleistung in die Antenne Tx ist, P_rx die von der Antenne Rx empfangene Leistung, P_leak die an die Umgebung abgegebene Verlustleistung und P_capture die von einer virtuellen Standard-Dipolantenne empfangene Leistung ist, die sich 30 cm von der drahtlosen Kamera entfernt befindet. In diesen Parametern lautet die Beziehung zwischen P_capture und P_leak wie folgt:
P_capture = P_leak + Pfadverlust von 30 cm (2)
Wobei folgendes gilt:
Abbildung 4. Energieverteilungsbeziehung zwischen Antenne und der Umgebung
Abbildung 5 zeigt die Simulations- und Messergebnisse der Rückflussdämpfung der Antenne. Es ist zu erkennen, dass |S11| im Betriebsband 2,4 bis 2,49 GHz besser als -15 dB ist und bei den Drehwinkeln phi = 0, 90 und 180 konstant ist.
Abbildung 4. Rückflussdämpfung der vorgeschlagenen Antenne in einer drahtlosen Kamera während der Drehung
Abbildung 6 (a) zeigt die von der Antenne Rx empfangene Leistung und Abbildung 6 (b) die von der 30 cm entfernten Standard-Dipolantenne aufgenommene Leistung. Es ist zu erkennen, dass die niedrigste Leistung, die Antenna Rx von Antenna Tx empfängt, -26 dB ist und die maximal aufgenommene Leistung der virtuellen Standardantenne im schlimmsten Fall -56 dB ist. Die empfangene Leistung ist 30 dB höher als die von der virtuellen Standardantenne aufgenommene Leistung. Darüber hinaus weist P_rx eine geringe Schwankung auf, wenn sich der untere Teil der drahtlosen Kamera um die Achse dreht. Wenn P_tx auf -35 dBm eingestellt ist, dann ist P_rx > -60 dBm und P_capture < -91 dBm, und das System verfügt über eine gute drahtlose Kommunikation bei gleichzeitig sehr geringer Verlustleistung zum Abfangen.
Abbildung 6 (a) Leistung, die von der vorgeschlagenen Antenne Tx empfangen wird, normiert durch P_tx; (b) Leistung, die von einer imaginären Standardantenne erfasst wird, normiert durch P_tx
Vergleich mit herkömmlicher Antenne
Die meisten auf dem Markt erhältlichen Wi-Fi-Antennen für derartige Anwendungen sind herkömmliche Resonanzantennen, z. B. Dipole, IFAs und PIFAs. Um zu beweisen, dass die vorgeschlagene Antenne in ihrer Leistung der herkömmlichen Antenne überlegen ist, wird die in Abbildung 7 dargestellte Dipolantenne mit einer Betriebsfrequenzband-Abdeckung von 2,4 bis 2,49 GHz verwendet, um die vorgeschlagene Antenne im gleichen Kameramodell wie in Abbildung 3 zu ersetzen. Die Simulationsergebnisse werden zum Vergleich abgeleitet. (Die obere und untere Abdeckung werden im Modell nicht dargestellt.)
Abbildung 7. Eine drahtlose Kamera, die eine Dipolantenne zur Kommunikation nutzt (phi = 0 gibt die Position, an der die Einspeisepunkte zweier Antennen sich überschneiden, in der Draufsicht an.)
Aus den Simulationsergebnissen geht hervor, dass die Dipolantenne keine Nahfeldantenne ist, sodass sie keine gute Impedanzanpassung erreichen kann, wenn sie während der Drehung im Nahfeld arbeitet (siehe Abbildung 8). Die Rückflussdämpfung variiert um 3 dB während der Drehung von phi = 0 bis 180, wodurch die Anpassung an die WiFi-Empfängerschaltung im gesamten Verlauf der Drehung schwierig wird.
Abbildung 8. Rückflussdämpfung einer Dipolantenne in einer drahtlosen Kamera während der Drehung
Abbildung 9 (a) zeigt, dass P_rx/P_tx stark variiert, wenn Antenne Tx sich dreht. Insbesondere wenn phi von 0° zu 180° wechselt, verringert sich P_rx/P_tx erheblich von -5 dB auf -35 dB. Dafür gibt es folgende Gründe:
- Während der Drehung von Antenne Tx variiert der Pfadverlust zwischen den beiden Antennen stark, wenn sich der Abstand von Mitte zu Mitte ändert.
- Die Dipolantenne ist linear polarisiert. Wenn Antenne Tx sich dreht, tritt eine schwerwiegende Polarisationsfehlanpassung auf.
Abbildung 9 (b) zeigt, dass die maximal aufgenommene Verlustleistung, die von der Dipolantenne an die Umgebung abgegeben wird, -35 dB beträgt. Das sind 21 dB mehr als bei der vorgeschlagenen Antenne. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die herkömmliche Dipolantenne eine resonante Fernfeldantenne ist, die an sich eine starke Fernfeldstrahlung aufweist. Daher sind die resonanten Fernfeldantennen in anderen Ausführungen auch für eine solche Datenleitung mit hoher Datenrate und kurzer Reichweite unpraktisch, die aus Sicherheitsgründen eine niedrige Leistungsaufnahme erfordert.
Abbildung 9 (a) Leistung, die von der Dipolantenne Tx empfangen wird, normiert durch P_tx; (b) Verlustleistung, die von einer imaginären Standardantenne erfasst wird, normiert durch P_tx
ERÖRTERUNG UND KERNASPEKTE
Zusammenfassung
Eine kreisförmig polarisierte Nahfeld-Ringantenne wurde mit dem Simulationstool ANSYS HFSS entworfen und durch die Messung des Musters verifiziert. Die Antenne ist eine kreisförmige Mikrostreifenleitung, die mit einem 50-Ohm-HF-Widerstand abgeschlossen ist. Die vorgeschlagene Antenne kann eine gute Impedanzanpassung im Betriebsband von 2,4 bis 2,49 GHz erreichen. Die Simulations- und Messergebnisse zeigen, dass sie eine gute Datenleitung und eine geringen Verlust an die Umgebung gewährleisten kann. Die vorgeschlagene Antenne könnte eine vielversprechende Lösung für Anwendungen von Datenleitungen mit hoher Datenrate und Sicherheit darstellen, die mit zunehmender Nutzung von Kameras und ihrer Videostreams zur Sicherheitsüberwachung sowie von automatisch betriebenen Maschinen und Autos weiter verbreitet sein werden.
Da es sich bei dieser Antenne um eine Wanderwellenantenne handelt, sind das elektrische Feld und das Magnetfeld des Nahfelds mit der kreisförmigen Polarisation des Nahfelds gleichmäßig entlang der Peripherie verteilt und bieten so eine stabile und konstante Datenleitung während der Drehung, was sie zu einer perfekten Alternative zu den Schleifringen macht, die in einem sehr breiten Frequenzband äußerst sicher und zuverlässig arbeitet.
Weitere Untersuchungen und Arbeiten
Nachdem die Antennenleistung in Simulations- und Prototypentest ermittelt wurde, wird der aktive Test mit Wi-Fi-Chipsatz und Modul zur kontaktlosen Stromversorgung auf der Leiterplatte durchgeführt, um die Antennen- und Systemleistung zu validieren.
Der Gebrauch von Nahfeldantennen in Elektro- und Haushaltsgeräten, in der Industrie und anderen Bereichen ist weit verbreitet. Die vorgeschlagene Antenne eignet sich gut für drehbare Geräte mit kontaktloser Stromversorgung. Ziele der weiteren Untersuchungen und Arbeiten sind die Optimierung der Antennenleistung sowie die Entwicklung der Abschirmung für das System, um die Verlustleistung zur Vermeidung von Abfangen weiter zu verringern.
VERWEISE
[1] David M. Pozar: Microwave Engineering, Fourth Edition, Seite 149, John Wiley & Sons, Inc.
[2]Ramesh Garg, Prakash Bhartia, Inder Bahl, Apisak Ittipiboon: Microstrip Antenna Design Handbook, Seite 399, Artech House
Eine 2,4-GHz-Nahfeld-Ringantenne für Datenübertragung mit hoher Datenrate und Sicherheit im Nahbereich für Drehgelenke
AUSZUG
Sicherheitskameras verwenden heutzutage sowohl für die Strom- als auch für die Datenleitung einen Schleifenring von der sich drehenden Kamera zur Überwachungsinfrastruktur. Die Zuverlässigkeit ist problematisch und die Installation komplex. Daher ist eine Lösung mit einer kontaktlosen Strom- und Datenleitung erforderlich, um die Zuverlässigkeit bei gleichzeitiger Verringerung der Komplexität zu erhöhen. Während die kontaktlose Stromversorgung für die Kamera durch die Induktionskupplung für den Nahbereich umgesetzt werden kann, stellt die Datenleitung uns vor mehrere Herausforderungen. Für eine zuverlässige Übertragung des hochauflösenden H.264-Videostreams wird das Wi-Fi-Protokoll mit mindestens 54 Mbit/s vorgeschlagen. Um diese hohe Datenrate bei der Drehung der Kamera zu erreichen, muss jedoch während des gesamten Drehvorgangs von 360 Grad ein guter Signalempfang der Empfangsantenne erreicht werden. Andererseits muss jedoch der Signalverlust für einen hohen Sicherheitsgrad unter einem bestimmten Niveau gehalten werden, um zu vermeiden, dass das Video von einem Abhörgerät in der Nähe erfasst wird. Das bedeutet, dass wir eine Antenne mit geringer Rückflussdämpfung |S11|, hohem Empfangssignalverhältnis |S12| und geringerem Lecksignal P_leak entwickeln müssen, was im Antennendesign mitunter widersprüchlich ist. Unter Verwendung des Werkzeugs zur elektromagnetischen Simulation ANSYS HFSS wird eine 2,4-GHz-Nahfeld-Ringantenne mit kreisförmiger Polarisation entwickelt. Die vorgeschlagene Antenne besteht aus einem Ring aus einem Mikrostreifen-Übertragungsband und einer HF-Last. Durch die Terminierung des Übertragungsbands mit dem 50-Ohm-HF-Widerstand verhält sich die Antenne wie eine Wanderwellenantenne und ist omnidirektional im Muster sowie kreisförmig polarisiert. Im schlimmsten Fall weist die vorgeschlagene Antenne die Impedanzbandbreite mit Rückflussdämpfung |S11| = -15 dB, das Stärkeverhältnis des Empfangssignals |S12| = -26 dB und das erfasste Signalverhältnis P_tx = -56 dB auf, wodurch das Betriebsband von 2,4 bis 2,49 GHz während des gesamten Drehgangs für phi = 0–180 Grad abgedeckt wird. Im Vergleich zur herkömmlichen Resonanzantenne mit |S11| = -8 dB, |S12| = -37 dB und dem erfassten Signalverhältnis P_tx = -35 dB im schlimmsten Fall hat die vorgeschlagene Antenne aufgrund der 7 dB besseren Rückflussdämpfung, der 11 dB beim Empfangssignal und der 21 dB beim Lecksignal einen überlegenen Vorteil. Auch die Messergebnisse bestätigen die Vorteile. Diese Antenne wird in der drahtlosen Kamera des Kunden unter Verwendung einer kontaktlosen Stromversorgung eingesetzt, wobei das Videosignal zwischen zwei Antennen effizient übertragen und empfangen wird, während die Informationssicherheit mit sehr geringem Signalverlust an die Umgebung gewährleistet ist. Somit können sowohl Zuverlässigkeit als auch Sicherheit für die Sicherheitskamera erreicht und garantiert werden.
PROBLEMSTELLUNG
Die Herausforderungen bei der Entwicklung von Antennen für drahtlose Kameras mit kontaktloser Stromversorgung lauten wie folgt:
- Wenig Platz. Die Breite der Antenne beträgt maximal nur 6 mm, da die Antenne mindestens 4 mm von der Induktionsspule entfernt sein muss, welche für die kontaktlose Stromversorgung verwendet wird.
- Die Kamera dreht sich zur Umgebungsüberwachung um die Achse, sodass die empfangene Leistung konstant gehalten werden muss, wenn sich die Sendeantenne dreht. Für eine herkömmliche Antenne ist es aus zwei Gründen schwierig, diese Anforderung zu erfüllen:
- Die empfangene Leistung ist umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstands zwischen Senderantenne (Tx) und Empfängerantenne (Rx).
- Antenne Tx und Antenne Rx sind linear polarisiert. Polarisationsfehlanpassungen treten auf, wenn sich Antenne Tx dreht.
3. Bei der Sicherheitskamera des Kunden muss die von der Antenne an die Umgebung abgestrahlte Verlustleistung sehr gering sein, damit eine Standardantenne das Kommunikationssignal nicht abfangen kann.
Deshalb müssen wir eine Antenne mit geringer Breite entwickeln: Ihre elektromagnetische Feldleistung konzentriert sich in der Nähe und wird gleichmäßig über ihre Länge verteilt. Darüber hinaus muss die Antenne kreisförmig polarisiert sein, um eine Polarisationsfehlanpassung zwischen zwei solchen Antennen während der Drehung zu vermeiden. Durch den Einsatz von ANSYS HFSS besteht eine Ringantenne aus einer Mikrostreifenleitung mit schmaler Masse. Ein 50-Ohm-HF-Widerstand wird entwickelt, um diese Herausforderungen zu bewältigen. Die Messergebnisse der Antennenprototypen, die auf Simulation basieren, haben bestätigt, dass die Kundenanforderungen erfüllt werden.
METHODEN UND ERGEBNISSE
Simulationsmodell in einer ANSYS HFSS-Umgebung aufbauen und Muster fertigen
Das Simulationsmodell der Antenne wird in einer ANSYS HFSS-Umgebung aufgebaut. Abbildungen 1 (a) und (b) zeigen die Geometrie der vorgeschlagenen Antenne. Der Hauptkörper der Antenne ist eine kreisförmige Mikrostreifenleitung, die mit einem 50-Ohm-HF-Widerstand abgeschlossen ist. Die Mikrostreifenleitung weist auf der einen Seite eines kostengünstigen FR4-Substrats der Dicke d = 0,762 mm eine Leiterbahn der Breite w1 sowie auf der anderen Seite des Substrats einen weiteren Leiter der Breite w2 = 6mm auf. Die Innen- und Außenradien des FR4-Substrats betragen R1 = 50 mm bzw. R2 = 60,5 mm. Der konzentrierte Anschluss (Lumped Port) wird an einem Ende der Mikrostreifenleitung als Einspeisequelle verwendet. Die Anschlussimpedanz beträgt 50 Ohm. Am anderen Ende des Übertragungsbands wird ein konzentrierter 50-Ohm-Widerstand modelliert.
Abbildung 1. Geometrie der vorgeschlagenen Antenne: (a) Draufsicht, (b) Querschnitt.
Mit der Formel (1) kann die Breite der Signalspur der vorgeschlagenen Mikrostreifenleitung W1 bestimmt werden. Der Wert muss mit einer Software für die EM-Simulation weiter optimiert werden. Abbildung 2 zeigt den Prototyp der vorgeschlagenen Antenne: Ein steifes Kabel mit SMA-Steckverbinder ist mit einem Ende der kreisförmigen Mikrostreifenleitung verbunden. Eine HF-Last ist mit dem anderen Ende verbunden.
Leistung der vorgeschlagenen Antenne
Abbildung 3 zeigt das vereinfachte Simulationsmodell der Sicherheitskamera mit kontaktloser Stromversorgung und Datenleitung in HFSS. Die Kamera befindet sich auf dem unteren Teil, der sich um den Metallschaft in der Mitte dreht. Der obere Teil ist mit dem Netzteil und dem Rechenzentrum für die Bilder verbunden. Der Leistungssender (PTx), der aus dem Sendestromkreis und der PTx-Spule besteht, und der Wi-Fi-Empfänger, der aus der drahtlosen Schaltung und der Antenne Rx besteht, sind im oberen Teil untergebracht, während sich der Leistungsempfänger (PRx) und der Wi-Fi-Sender im unteren Teil befinden. In der Struktur werden die Spulen PTx und PRx für die kontaktlose Stromversorgung verwendet. Die Spulen sollten im Simulationsmodell platziert werden, da sie sich auf die Antennenleistung auswirken.
Die Antenne wurde durch Simulation mit HFSS untersucht und entwickelt, um Kosten und Zeit zu sparen. Sobald sie eine gute Leistung zeigt, werden zur Überprüfung der Simulation die Antennenprototypen erstellt. Für dieses Design werden 2 Exemplare hergestellt und mit dem Vektor-Netzwerkanalysator Keysight E5071C und der reflexionsfreien Satimo 32-Kammer getestet.
Abbildung 3. Struktur einer drahtlosen Kamera: (a) Vorderansicht, (b) Draufsicht (phi = 0 gibt die Position, an der die Einspeisepunkte zweier Antennen sich überschneiden, in der Draufsicht an.)
Abbildung 4 veranschaulicht die Energieverteilungsbeziehung zwischen der Antenne und der Umgebung, wobei P_tx die Eingangsleistung in die Antenne Tx ist, P_rx die von der Antenne Rx empfangene Leistung, P_leak die an die Umgebung abgegebene Verlustleistung und P_capture die von einer virtuellen Standard-Dipolantenne empfangene Leistung ist, die sich 30 cm von der drahtlosen Kamera entfernt befindet. In diesen Parametern lautet die Beziehung zwischen P_capture und P_leak wie folgt:
P_capture = P_leak + Pfadverlust von 30 cm (2)
Wobei folgendes gilt:
Abbildung 4. Energieverteilungsbeziehung zwischen Antenne und der Umgebung
Abbildung 5 zeigt die Simulations- und Messergebnisse der Rückflussdämpfung der Antenne. Es ist zu erkennen, dass |S11| im Betriebsband 2,4 bis 2,49 GHz besser als -15 dB ist und bei den Drehwinkeln phi = 0, 90 und 180 konstant ist.
Abbildung 4. Rückflussdämpfung der vorgeschlagenen Antenne in einer drahtlosen Kamera während der Drehung
Abbildung 6 (a) zeigt die von der Antenne Rx empfangene Leistung und Abbildung 6 (b) die von der 30 cm entfernten Standard-Dipolantenne aufgenommene Leistung. Es ist zu erkennen, dass die niedrigste Leistung, die Antenna Rx von Antenna Tx empfängt, -26 dB ist und die maximal aufgenommene Leistung der virtuellen Standardantenne im schlimmsten Fall -56 dB ist. Die empfangene Leistung ist 30 dB höher als die von der virtuellen Standardantenne aufgenommene Leistung. Darüber hinaus weist P_rx eine geringe Schwankung auf, wenn sich der untere Teil der drahtlosen Kamera um die Achse dreht. Wenn P_tx auf -35 dBm eingestellt ist, dann ist P_rx > -60 dBm und P_capture < -91 dBm, und das System verfügt über eine gute drahtlose Kommunikation bei gleichzeitig sehr geringer Verlustleistung zum Abfangen.
Abbildung 6 (a) Leistung, die von der vorgeschlagenen Antenne Tx empfangen wird, normiert durch P_tx; (b) Leistung, die von einer imaginären Standardantenne erfasst wird, normiert durch P_tx
Vergleich mit herkömmlicher Antenne
Die meisten auf dem Markt erhältlichen Wi-Fi-Antennen für derartige Anwendungen sind herkömmliche Resonanzantennen, z. B. Dipole, IFAs und PIFAs. Um zu beweisen, dass die vorgeschlagene Antenne in ihrer Leistung der herkömmlichen Antenne überlegen ist, wird die in Abbildung 7 dargestellte Dipolantenne mit einer Betriebsfrequenzband-Abdeckung von 2,4 bis 2,49 GHz verwendet, um die vorgeschlagene Antenne im gleichen Kameramodell wie in Abbildung 3 zu ersetzen. Die Simulationsergebnisse werden zum Vergleich abgeleitet. (Die obere und untere Abdeckung werden im Modell nicht dargestellt.)
Abbildung 7. Eine drahtlose Kamera, die eine Dipolantenne zur Kommunikation nutzt (phi = 0 gibt die Position, an der die Einspeisepunkte zweier Antennen sich überschneiden, in der Draufsicht an.)
Aus den Simulationsergebnissen geht hervor, dass die Dipolantenne keine Nahfeldantenne ist, sodass sie keine gute Impedanzanpassung erreichen kann, wenn sie während der Drehung im Nahfeld arbeitet (siehe Abbildung 8). Die Rückflussdämpfung variiert um 3 dB während der Drehung von phi = 0 bis 180, wodurch die Anpassung an die WiFi-Empfängerschaltung im gesamten Verlauf der Drehung schwierig wird.
Abbildung 8. Rückflussdämpfung einer Dipolantenne in einer drahtlosen Kamera während der Drehung
Abbildung 9 (a) zeigt, dass P_rx/P_tx stark variiert, wenn Antenne Tx sich dreht. Insbesondere wenn phi von 0° zu 180° wechselt, verringert sich P_rx/P_tx erheblich von -5 dB auf -35 dB. Dafür gibt es folgende Gründe:
- Während der Drehung von Antenne Tx variiert der Pfadverlust zwischen den beiden Antennen stark, wenn sich der Abstand von Mitte zu Mitte ändert.
- Die Dipolantenne ist linear polarisiert. Wenn Antenne Tx sich dreht, tritt eine schwerwiegende Polarisationsfehlanpassung auf.
Abbildung 9 (b) zeigt, dass die maximal aufgenommene Verlustleistung, die von der Dipolantenne an die Umgebung abgegeben wird, -35 dB beträgt. Das sind 21 dB mehr als bei der vorgeschlagenen Antenne. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die herkömmliche Dipolantenne eine resonante Fernfeldantenne ist, die an sich eine starke Fernfeldstrahlung aufweist. Daher sind die resonanten Fernfeldantennen in anderen Ausführungen auch für eine solche Datenleitung mit hoher Datenrate und kurzer Reichweite unpraktisch, die aus Sicherheitsgründen eine niedrige Leistungsaufnahme erfordert.
Abbildung 9 (a) Leistung, die von der Dipolantenne Tx empfangen wird, normiert durch P_tx; (b) Verlustleistung, die von einer imaginären Standardantenne erfasst wird, normiert durch P_tx
ERÖRTERUNG UND KERNASPEKTE
Zusammenfassung
Eine kreisförmig polarisierte Nahfeld-Ringantenne wurde mit dem Simulationstool ANSYS HFSS entworfen und durch die Messung des Musters verifiziert. Die Antenne ist eine kreisförmige Mikrostreifenleitung, die mit einem 50-Ohm-HF-Widerstand abgeschlossen ist. Die vorgeschlagene Antenne kann eine gute Impedanzanpassung im Betriebsband von 2,4 bis 2,49 GHz erreichen. Die Simulations- und Messergebnisse zeigen, dass sie eine gute Datenleitung und eine geringen Verlust an die Umgebung gewährleisten kann. Die vorgeschlagene Antenne könnte eine vielversprechende Lösung für Anwendungen von Datenleitungen mit hoher Datenrate und Sicherheit darstellen, die mit zunehmender Nutzung von Kameras und ihrer Videostreams zur Sicherheitsüberwachung sowie von automatisch betriebenen Maschinen und Autos weiter verbreitet sein werden.
Da es sich bei dieser Antenne um eine Wanderwellenantenne handelt, sind das elektrische Feld und das Magnetfeld des Nahfelds mit der kreisförmigen Polarisation des Nahfelds gleichmäßig entlang der Peripherie verteilt und bieten so eine stabile und konstante Datenleitung während der Drehung, was sie zu einer perfekten Alternative zu den Schleifringen macht, die in einem sehr breiten Frequenzband äußerst sicher und zuverlässig arbeitet.
Weitere Untersuchungen und Arbeiten
Nachdem die Antennenleistung in Simulations- und Prototypentest ermittelt wurde, wird der aktive Test mit Wi-Fi-Chipsatz und Modul zur kontaktlosen Stromversorgung auf der Leiterplatte durchgeführt, um die Antennen- und Systemleistung zu validieren.
Der Gebrauch von Nahfeldantennen in Elektro- und Haushaltsgeräten, in der Industrie und anderen Bereichen ist weit verbreitet. Die vorgeschlagene Antenne eignet sich gut für drehbare Geräte mit kontaktloser Stromversorgung. Ziele der weiteren Untersuchungen und Arbeiten sind die Optimierung der Antennenleistung sowie die Entwicklung der Abschirmung für das System, um die Verlustleistung zur Vermeidung von Abfangen weiter zu verringern.
VERWEISE
[1] David M. Pozar: Microwave Engineering, Fourth Edition, Seite 149, John Wiley & Sons, Inc.
[2]Ramesh Garg, Prakash Bhartia, Inder Bahl, Apisak Ittipiboon: Microstrip Antenna Design Handbook, Seite 399, Artech House
