Tänk på antennen redan i konceptfasen

En schysst design och radiouppkoppling kan vara två parametrar som i kombination nästan stjälper ett projekt.

Mattias Hellgren

– Idag är risken stor att en konstruktör säger ”där sätter vi antennen”. Designen är klar och en antenn ska in. Då är det svårt att konstruera en bra antenn, säger Mattias Hellgren på antenntillverkaren Smarteq Wireless i Kista.

Å andra sidan kan bra design och radio i kombination skapa användarvänlighet och tillförlitlighet, exempelvis i form av en diagnosfunktion, som ger en rejäl skjuts till försäljningen av slutprodukten.

För att göra utmaningen i antennhänseende mer åskådlig tar Mattias Hellgren allas vår trotjänare mobiltelefonen som ett paradexempel.

− Öppnar man en mobiltelefon kan man konstatera att där sitter en liten antenn. Fast egentligen  är hela telefonen en antenn. Det handlar om en balans, där telefonen är en motpol till antennen. Tar  jag bort mobilantennen och skruva fast den på en stor plåt så skulle den inte fungera på samma sätt.

Så här kan en så kallad PIFA-antenn (Planar Inverted F-Antenna) placeras i ett verktyg. PIFA är en vanlig topologi i denna typ av tillämpningar. Genom att skära ut slitsar i konstruktionen kan den anpassas till flera olika frekvenser.

Visserligen är det få produkter som behöver kunna hantera samma mängd kommunikationsstandarder som en mobiltelefon, men varje gång en antenn ska byggas in i en mer traditionell produkt så adderas nya egenskaper att ta hänsyn till. Den som konstruerat handburna verktyg eller robotar som skruvar och svetsar är van att tänka på användarvänlighet, säkerhet och kvalitet, men radiouppkopplingen ställer andra krav.

− Det går exempelvis inte längre att ha metall överallt. Alla typer av plast är inte heller lämpligt, eftersom de kan ge mycket förluster. Samtidigt kan metall och viss typ av plast vara viktigt rent mekanisk, så det får bli en avvägning.

Just materialval är viktigt liksom hur tjock en plast är samt närhet till anslutna kablar och avstånd till detaljer som skruvar. Även närheten till material som metall påverkar en antenn fysiskt.

Vid låga frekvenser påverkar ett avstånd på några centimenter till en metallstruktur mer än vid högre frekvenser. I värsta fall kan antennfunktionen helt utebli då närheten till metallen fungerar som en kortslutning. Teoretiskt kan man säga att om avståndet är större än en fjärdedels våglängd så är det inget problem.

För många kan radiovågors beteende upplevas som hokus-pokus. För Mattias Hellgren, senior rf-ingenjör som arbetat med att utveckla antenner i över 19 år, sitter detaljerna i fingrarna.

Han kom till Smarteq när företaget köpte en del av det anrika antennföretaget Allgon år 2000.
Sedan dess har Mattias Hellgren jobbat i en mängd positioner på företaget, bland annat som utvecklingschef med plats i ledningsgruppen. I stort sett alla produkter som Smarteq säljer idag – som ryms inom företagets tre affärsområden M2M, fordon och konsument – har han varit med och utvecklat.

Skillnaden mot förr är att M2M- och IoT-hypén gjort att allt fler företag vill återanvända vissa grundmekaniska delar i nya produkter och samtidigt applicera en radiolösning i den. Det är vanskligt.

– Vi måste få företag medvetna om att vi ska vara med och spåna idéer redan i en förstudie och konceptfas om en lösning ska bli kostnadseffektiv och bra. Annars blir det onödigt många iterationer.

Han tar dagens laddstolpar för elfordon som exempel på hur även nyutvecklade produkter kan behöva flera utvecklingssteg om det första steget inte lagt fokus på kommunikationsdelen.

Många av dagens laddstolpar är nämligen byggda med aluminiumprofiler och mycket metall. Antennerna, som bland annat Smarteq levererar, har därmed hamnat på utsidan.

− På sikt kommer vi nog att se en förändring med inbyggda antenner i laddstolparna, men ska antennen in så måste materialet ändras.

Generellt kan man säga att det är en betydligt större utmaning att få till en inbyggd antennlösning som ska fungera på låga än höga frekvenser. Låga frekvenser har fördelen att nå långt, men ger också fysiskt stora antenner.

Idag finns det också en väldig blandning av kommunikationstandarder att ta hänsyn till. Vid lokal kommunikation är det praktiskt med wifi, Bluetooth eller Zigbee. Ett verktyg eller en maskin som ena dagen används på en ort och nästa dag är på annan ort kräver däremot 3G/4G-uppkoppling. Få industriella produkter nyttjar både och.

Definitionen på en bra antenn är att den plockar upp signaler i sin omgivning. Störande signaler kan dämpas med externa filter. Samtidigt går det att utveckla en smalbandig antenn om kommunikationssystemet tillåter det, och då integrera en filterverkan i själva antennen. En bredbandig antenn – ex för 3G/4G – är mer utmanande att konstruera för en liten bärbar enhet.

Vill man integrera flera antenner i samma enhet kan man jobba med placeringen sinsemellan för att öka isolationen.

− Måste man lägga antennerna nära varandra får man jobba mer med strömfördelningen så att de inte talar med varandra. Genom att använda lite olika antennkonstruktioner kan man få strömmen att gå vertikalt i den ena och horisontellt i den andra.

Parametrar som antennförstärkning och lobvinklar är egenskaper som anpassas efter tillämpningen. Vid fasta installationer är det intressant med riktverkan och kanske täckning i ett visst plan, men i flertalet bärbara enheter vill man ha en rundstrålande antenn.

Det kan vara utmanande att konstruera en rundstrålande antenn då produkten ofta påverkar strålningsdiagrammet, exempelvis om antennen är monterad på  en sid. En antenn, i en bärbar produkt, som inte är rundstrålande och används i en öppen miljö kan fungera dåligt. Inomhus blir det däremot inte ett lika stort problem eftersom signalerna studsar.

− Det går inte att skapa en bra antennlösning om man inte är med i hela utvecklingsprocessen. Som erfaren rf-ingenjör går det snabbt att ändra lite på antennen under tiden den tas fram. Och i slutet, när antennen är integrerad i den färdiga sprutade plastkåpan, vrider vi till det sista.