הבנה של Power Amplifiers in IoT Sensor Networks

רשתות חיישן אינטרנט של דברים (IoT) לעתים קרובות להתמודד עם אתגרים הקשורים לתנוחת אות, במיוחד במתקנים תעשייתיים גדולים, סביבות בחוץ עם מכשולים, או פריסות עירוניות צפופות. a power amplifier (PA) הוא מרכיב קריטי המגביר את תדר הרדיו (IoT) לפני שהוא מגיע האנטנה, המאפשר טווח תקשורת ארוך יותר, טוב יותר דרך קירות, ומשפר את האמינותפר את האמינותתתתתתתתות פשוטות, כוח כגון: מגברי תיבות של מדמ"ר, כמו גם שיפור של פרוטוקול ה-ג'ר, כמו גם שיפור זה, כמו גם שיפור ה-ג'יגה אישית של ה-ג'יגה-ג'יגה-ג'יגה-ג'יגה-ג'יגה-ג'יגה-ג'יגה-ג'יגה-ג'יגה מחדש של תפקוד זה, תוך כדי שיפור סיג, תוך כדי שמירה על ידי אדפט.

חדירה של הרש"פ ל-IoT חיישן אין צורך בשיקול זהיר של להקות תדר, מגבלות כוח פלט, תנופה התאמה, וצריכת חשמל. שילוב מעוצב היטב יכול להפוך קישור שולי לחיבור חזק, צמצום אובדן החבילה והרחבת חיי הסוללה באמצעות שידורים יעילים יותר. מאמר זה מספק צלילה עמוקה לתוך השלבים הטכניים, עיצוב עסקאות, ופרקטיקות מעשיות הטובות ביותר עבור שילוב כוח לתוך רשתות חיישן.

למה להשתמש ב-Power Amplifiers in IoT?

המוטיבציה העיקרית להוספת מגבר כוח היא להתגבר על אובדן נתיב החלל החופשי ופגיעה בסימן אחר המגבלה טווח תקשורת.חיישנים רבים של IoT פועלים בעוצמה נמוכה (בדרך כלל 10-14 dBm) כדי לשמר אנרגיה.עם זאת, ביישומים כגון חקלאות חכמה, ניטור צינורות, או בניית אוטומציה, חיישנים עשויים להתפשט מעל מאות מטרים או ממוקמים בתוך מתכת, כוח יכול להיות מגבר ליניארית ל- 20B באופן ישיר, אפילו יותר, תוך שמירה על מגבלות גבוהות יותר, או על מגבלות גבוהות יותר, תוך כדי שיפור של נתונים, או ירידה גבוהה יותר, או ירידה גבוהה יותר, תוך כדי קיבולת רגולטורית, או ירידה גבוהה יותר, תוך כדי שמירה על פני קיבולת גבוהה יותר, או ירידה של קיבולת גבוהה יותר, או ירידה של יותר, או ירידה של 27B, או ירידה גבוהה יותר, או ירידה של קיבולת גבוהה יותר, תוך כדי קיבולת גבוהה יותר, תוך כדי קיבולת גבוהה יותר, תוך כדי קיבולת גבוהה יותר, או ירידה של קיבולת גבוהה יותר, תוך כדי קיבולת גבוהה יותר, תוך כדי קיבולת גבוהה יותר, או ירידה של קיבולת גבוהה יותר, תוך כדי קיבולת גבוהה יותר, או ירידה של קיבולת גבוהה יותר, תוך כדי שמירה על פני קיבולת גבוהה יותר, תוך כדי שמירה על פני קיבולת גבוהה

מעבר לטווח הרחב, מגברי חשמל יכולים גם לשפר את שיעורי הנתונים.בתקני IoT המהירים (למשל, Wi-Fi HaLow), כוח שידור גבוה יותר מאפשר שימוש בתוכניות מודולציה סדר גבוה יותר, הדורשות אות חזק יותר לשמור על שיעור שגיאה מעט נתון.בנוסף, מגבר יכול לפצות על הפסדים בשרשרת RF, כגון אלה שהוצגו על ידי מסננים, או מתגים ארוכים בין כבל וטריאנטנות.

שלב-בי-שלב תהליך אינטגרציה

דרישות אות אסס

לפני בחירת מגבר כוח, לקבוע את עוצמת האות המינימלית הנדרשת בשער או המקלט. לחשב את תקציב הקישור על ידי התחשבות כוח פלט משדר, אנטנות רווחים, הפסדי כבל, שולי חיפוי, ורגישות מקלט כמו שולי FLT:0LoRa Calculator 1 או חינם נתיב נוסחאות אובדן יכול לעזור.

2.בחר כוח מתאים Amplifier

פרמטרים מרכזיים להערכת כוללים:

  • (FLT:0)Frequency Band:FLT:1ua: לוודא את המגבר מכסה את טווח התדר המדויק המשמש את פרוטוקול ה-IoT (למשל, 868 MHz עבור אירופה, 915 MHz עבור צפון אמריקה, או 2.4 GHz עבור Zigbee /Thread).
  • <חזק>Gain andפלט כוח: בחר רווח שמביא את התפוקה הכוללת לרמה הרצויה תוך שמירה על גבולות רגולטוריים (למשל, ETSI EN 300 220 עבור <860-870 MHz או FCC חלק 15).
  • (FLT:0)Linearity (IP3):FLT:1 עבור תוכניות מודולציה עם וריאציות amplitude, מגבר ליניארי הוא חיוני כדי למנוע ספקטרום והתערבות. לבדוק את נקודת הסימון השלישי סדר (IP3).
  • (FLT:0) יעילות וזרם quiescent:cioFLT (PAE) מקטין את ניקוז הסוללה.עבור חיישנים מופעלים על סוללות, לחפש מגברות עם מאפשר לנתב אותם כאשר לא משדר.
  • (FLT:0)Package and size:FLT:1ir מאז מכשירים IoT הם לעתים קרובות קומפקטיים, לבחור חבילה על פני השטח (למשל, QFN) שמתאימה ל- PCB.

(הופנה מהדף ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

3.התערב עם מודול החיישנים

מניחים את הכוח מגבר בין תפוקת RF של חיישן (בדרך כלל את IC transceiver) לבין האנטנה.

  • (FLT:0) ,Impedance תואם: FLT:1 השתמש קו שידור 50 ⁇ מן ה transceiver לקלט הרש"פ ומפלט הרש"פ לאנטנה. השתמש חישובים microstrip ולהוסיף קו התאמה סדרה של סדרות (תלמידים ו capacitors) כדי למזער את VSWR.
  • (FLT:0) ההטיה:0.DC:FLT:1 לספק מתח אספקה נקי (לעיתים קרובות 1.8 V ל 5 V) עם יכולת נוכחית נאותה. השתמש הרגולטור נמוך-dropout (LDO) כדי למזער רעש.
  • (FLT:0) שליטה: 1.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10
  • (FLT:0)FLT (FLT:1), אם החיישן מקבל גם על אותה אנטנה (חצי דופלקס), מתג כפול של פול אחד (SPDT) RF נדרש לעקוף את הרש"פ במהלך קבלת פנים.בחר מתג עם אובדן כניסה נמוך (בדרך כלל FLT:220 dB).

4.מבחן ההתקנה

לאחר שילוב, לאמת את ביצועי RF עם מנתח ספקטרום ו-Virtual Network Analysisr (VNA).

  • (FLT:0Output power and Harmononics: FIRLT:1) ודא שהתפוקה הבסיסית נמצאת בטווח הרצוי וכי השני / השלישי הרמוניות מובנות (בדרך כלל מתחת ל- 30 dBc) כדי לעמוד בתקנות.
  • (הופנה מהדף LT:0)0 (Error Vector Magnitude): 1FLT עבור אותות מודולים, לבדוק כי המגבר אינו מעוות את הקבוצה יותר מדי. An EVM מתחת 5 אחוזים אופייני ל- LoRa/IoT.
  • (ב) ⁇ :0) ⁇ : ⁇ 1 (ב) עם האנטנה המחוברת, ודא כי המגבר אינו מחלחל. השתמש בניתוח ספקטרום בתחום הזמן כדי לבדוק טונים מעוררים.
  • (ב) עיין ב[[1924]]: [[1924]]]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]], [[1924]]]], [[1924]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]

ניהול כוח

מגברי PCB כוח שואבים זרם משמעותי (100 מ"א ל 1 A) במהלך השידור, אשר יכול לגרום טיפות מתח על הסוללה או קציר האנרגיה. השתמש בסופרcapacitor או בנק נמוך של ESR capacitor כדי לספק פסגות ללא חום.עבור נודים מופעל סוללות, לשקול ממיר a buck-boost המצורף עם > 90% יעילות הוא גם חשוב: רבים הרש"פ יש סגרים תרמיים יכול להיות שימוש חוזר על משטח נחושת או לחץ נמוך.

שיקולים ועיסוקים טובים

המונחים: Compliance

כל אזור מגביל את האנרגיה המקרינה והפליטה ההרמונית המקסימלית של האיחוד האירופי, למשל, את ה- ERP המקסימלי עבור 868 MHz הלהקה הוא 27 dBm (עם מגבלות מחזוריות חובה), בעוד שבחלק FCC 15 גבולות ל-30 dBm עבור כמה להקות.תמיד עיצוב שולי מתחת לגבולות אלה, וכולל מסנן נמוך לאחר הרשות לדיכוי הרמוני.

ניהול חום

מגברי חשמל יכולים להיות חמים, במיוחד כאשר משדרים ברציפות או במחזורי חובה גבוהים.ההתנגדות התרמית מצומת למכשול ( ⁇ ja) צריכה להיות נמוכה באמצעות מספר רב באמצעות הרש"פ אל המטוס הקרקע. במקרים קיצוניים, קירור פעיל (מאוור קטן) עשוי להיות נחוץ, אבל עבור רוב החיישנים המעוצבים היטב עם עובי נחושת מתאים (2oz או יותר) הטמפרטורה הפנימית של הרש"פ (מאט) לעתים קרובות צומת פנימי).

איכות אותות והתערבות

בעוד הגדלת האות, מגבר כוח יכול גם להגביר רעש ולהציג פליטות מעוררות. השתמש באספקת חשמל נקייה עם ripple נמוך, ולמקם את capacitors מתפתל קרוב ככל האפשר ל pins של הרש"פ. כדי להימנע desensitizing המקלט (אם הרש"פ מופעלת במהלך), ליישם רצף Tx / Rx מתאים עם עיכוב כדי לאפשר הרש"פ גם להבטיח את הרעם, כי הוא יכול להיות מתאים רשת אנטנה או לאנטאז '.

יעילות יעילות חסכון

בחר מגבר עם יעילות גבוהה של כוח (PAE) - בדרך כלל > 400% עבור הרשאות ליניאריות ו > 60% עבור הרש"פ רווי (class-E) עם זאת, מגברות רוויות מתאימים רק עבור מודולים קבועים של ההרחבה כמו FSK או LoRa. עבור מודולציות עם וריאציות ampuded (Q, של מד"מ), לינארי הוא תמיד שימוש בתוכנות מוגבלות עבור מערכת הפעלה נמוכה יותר של כוח.

מקרים אמיתיים לשימוש

  • (FLT:0) חקלאות חכמה: חיישנים של לחות סולל על פני שדה של כמה דונם להשתמש LoRa ב 868 MHz עם 27 dBm PA כדי להגיע לשער מרכזי הממוקם על בית חווה.הרש"פ מאפשר תקשורת מעל 3 ק"מ אפילו עם כיסוי עץ.
  • (FLT:0) ניטור צינורי תעשייתי: FIRLT:1 חיישנים המצורפים לאורך צינור מתכת להשתמש 2.4 GHz Zigbee אבל אני אותות חסומים על ידי מבנה המתכת. A 20 dBm PA מוכנס בין transceive ו אנטנה של טל, ביעילות "לשחרר" את החיצוני של הצינור והשגת מגוון של 200 מ" דרך הסביבה הקלה.
  • (FLT:0 ;0) מ"מ של מרש"ל (FLT:1) משתמשים לעתים קרובות NB-IoT ב-700-900 MHz.A PA המשולבת ב- RF הקדמי של מטר מאפשר למכשיר לתקשר עם מגדל הממוקם באזור עירוני צפוף, שיפור שולי הקישור על ידי 10 dB וצמצום ההעברות.

מלכודות נפוצות וכיצד להימנע מהם

  • (FLT:0) ,Insufficient decoupling:cioFLT:1 ללא כמות מספקת של capacitors עקפים, הרש"פ יכולה לבודד או לצייר זרם קרוע כבד המפריע לשאר פתרון החיישן: השתמש במספר רב של ערכים שונים (10 μF, 0.1F, 100p) ולמקם אותם קרוב למערך האספקה של הרש"פ.
  • (FLT:0) עיצוב תרמי תרמי:FLT:1 מעצבים רבים מזלזלים החום שנוצר על ידי הרש"פ 27 dBm PA ב 40 אחוזים יעילות מתפזר בערך 1.25 W של חום.ללא חימום הולם שוקעת, הרשות יכולה להגיע 100 מעלות צלזיוס וכשל.
  • (FLT:0) אבחון האנטנה: אנטלה 1 (אם האנטנה אינה 50 ⁇ בתדירות התפעולית, הרשות הפלסטינית תראה אי התאמה שיכולה להפחית את כוח התפוקה ולגרום לעיוות.
  • (FLT:0) קביעת גבולות רגולטוריים: FLT:1 גם אם הרש"פ יכולה לייצר 30 dBm, חוקים מקומיים עשויים להגביל את EIRP ל-20 dBm. Overshooting יכול להוביל קנסות או הפרעה עם שירותים מורשים.

מסקנות ו-Outlook

שילוב של כוחות המוגברים לרשתות חיישן IoT הוא טכניקה רבת עוצמה להתגבר על מגבלות טווח ולשפר את האמינות בסביבה מאתגרת. על ידי בחירת המגבר, התאמת ההתמדה, ניהול כוח וחום, ודבקות לגבולות רגולטוריים, מהנדסים יכולים לעצב צמתים חדשים המתווה ביישומים של LTE לטווח ארוך, כוח נמוך, כמו ממשיך להתרחב לאזורים מרוחקים ותעשייה, התפקיד של כוח המשיכה לפתח את פרוטוקולי ה-NLGAVertreta (L) נוסף, במיוחד, במיוחד, כמו גם עם דרישות של יישומים חזקים יותר (LGV) של 3GV) ו-DVN) ו-DVN) ו-AOLOLOLGVertatives) עם דרישות של יישומים חזקים יותר (LGVertances) ו-AHD) של יישומים לטווח ארוך טווח ארוך יותר (LGVertatives) ו-DVertatives) ו-DVertatives) עם דרישות של יישומים לטווח ארוך יותר, כמו גם כן, כמו גם כן, כמו גם כן, כמו גם כן, כמו גם כן, כמו גם כן, כמו גם תקנים חדשים יותר, כמו גם כן, כמו גם כן, כמו גם תחליפי