دليل اختيار هوائيات إنترنت الأشياء: الأنواع والتطبيقات

لا يقتصر اختيار هوائي لمنتج إنترنت الأشياء على مطابقة تردد لاسلكي فقط.

قد يستخدم جهازان وحدة راديو نفسها ومع ذلك يحتاجان إلى هياكل هوائي مختلفة تمامًا.

قد يعمل مستشعر مزود ببطارية داخل غلاف بلاستيكي بشكل جيد مع هوائي PCB. وقد يحتاج متتبع صغير إلى هوائي FPC لأن مساحة التركيب المتاحة غير منتظمة. وقد يستخدم عداد ذكي هوائيًا زنبركيًا عند توفر مساحة داخلية رأسية. وقد تتطلب بوابة صناعية هوائيات بطة مطاطية خارجية، بينما قد تستخدم بوابة LoRaWAN خارجية هوائيًا من الألياف الزجاجية مثبتًا فوق الغلاف.

قد يحتاج جهاز التتبع أيضًا إلى هوائي GNSS منفصل بالإضافة إلى هوائي الاتصال الخلوي أو WiFi أو Bluetooth أو LoRa الخاص به.

لهذا السبب اختيار هوائي إنترنت الأشياء يجب أن يبدأ بالبنية الكاملة للمنتج.

يخبرك المعيار اللاسلكي بالتردد الذي يجب دعمه.

يخبرك الجهاز بنوع الهوائي الذي يمكنه العمل فعليًا.

ابدأ بدور جهاز إنترنت الأشياء

قبل مقارنة أنواع الهوائيات، حدد موقع الجهاز في شبكة إنترنت الأشياء.

يمكن تقسيم منتجات إنترنت الأشياء النموذجية إلى عدة أدوار.

عقدة استشعار تعمل بالبطارية

تشمل الأمثلة مستشعرات الحرارة، وكاشفات التسرب، وأجهزة المنزل الذكي، وعلامات الأصول، وعقد العدادات، والمستشعرات البيئية، وأطراف LoRa.

عادةً ما تعطي هذه المنتجات الأولوية لما يلي:

حجم مدمج؛
استهلاك منخفض للطاقة؛
انخفاض عدد المكونات؛
انخفاض تكلفة التصنيع؛
دمج الهوائي الداخلي.

تعد هوائيات PCB وFPC والهوائيات النابضية أو السيراميكية المدمجة من الخيارات الشائعة.

جهاز محمول أو جهاز تتبع

تشمل الأمثلة متتبعات الأصول، والوحدات الطرفية للأسطول، والأجهزة القابلة للارتداء، وأنظمة البطاريات الذكية، والمعدات الصناعية المحمولة.

قد تتطلب هذه المنتجات:

الاتصال الخلوي؛
تحديد المواقع عبر GNSS؛
Bluetooth؛
WiFi؛
عدة هوائيات داخل حاوية واحدة.

لذلك، لا تقتصر مشكلة الهوائي على الحجم فحسب، بل يصبح العزل والتوجيه ومادة الحاوية وموضع البطارية وتفاعل المستخدم مهمة أيضًا.

بوابة إنترنت الأشياء الداخلية

قد تتلقى البوابة بيانات من عقد استشعار محلية عبر LoRa أو Zigbee أو Bluetooth أو WiFi أو تقنية لاسلكية أخرى، ثم تمرر تلك البيانات عبر Ethernet أو الشبكة الخلوية.

غالبًا ما تتوفر البوابات على مساحة أكبر من عقد الاستشعار، مما يجعل الهوائيات الخارجية خيارًا عمليًا.

تُستخدم هوائيات Rubber Duck عادةً عندما يتطلب المنتج هوائيات خارجية قابلة للاستبدال أو الضبط.

بوابة إنترنت الأشياء الخارجية

قد تحتاج البوابات الخارجية إلى تغطية أوسع ومرونة أكبر في التركيب.

يمكن تركيب هوائيات الألياف الزجاجية فوق حاوية البوابة وبعيدًا عن العوائق المحلية.

هذه البنية شائعة في LoRaWAN والقياس عن بُعد الصناعي وWiFi الخارجي والمراقبة عن بُعد والبنية التحتية الذكية.

جهاز صناعي أو محاط بالمعدن

يُنشئ الجهاز المثبّت داخل خزانة فولاذية مشكلة مختلفة في الترددات الراديوية.

حتى لو كان أداء الهوائي الداخلي جيدًا قبل التركيب، فقد تحجب الخزانة المعدنية الإشعاع أو تغيّره بشدة.

في هذه الحالات، قد يكون هوائي Rubber Duck خارجي، أو هوائي عبر الجدار، أو هوائي بتركيب مغناطيسي، أو هوائي من الألياف الزجاجية أكثر ملاءمة.

الخاص بـ RFLink دليل الهوائي الداخلي مقابل الهوائي الخارجي يقدّم معلومات خلفية إضافية حول هذا الاختيار التصميمي.

نظرة سريعة على أنواع هوائيات IoT

نوع الهوائي	تطبيق IoT النموذجي	الميزة الرئيسية	الاعتبار التصميمي الرئيسي
هوائي PCB	أجهزة الاستشعار، وأجهزة المنزل الذكي، والوحدات صغيرة الحجم	تكلفة منخفضة وسهولة الإنتاج الكمي	يتطلب مساحة PCB وتحكمًا في الأرضي/الخلوص.
هوائي FPC	أجهزة التتبع، والأجهزة المحمولة باليد، وأجهزة IoT صغيرة الحجم	تركيب مرن	حساسية تجاه الغلاف وموضع التركيب
هوائي زنبركي	العدادات الذكية، عقد sub-GHz، وحدات تحكم مدمجة	يستخدم المساحة الرأسية بكفاءة	تؤثر المعادن والهياكل الأرضية القريبة في الضبط
هوائي Rubber duck	البوابات والموجهات والأجهزة الطرفية	سهولة التركيب الخارجي والاستبدال	الموصل والاتجاه والتعرض الميكانيكي
هوائي بحامل مغناطيسي	الخزائن المعدنية والتركيبات المؤقتة والمركبات	وضع مرن للهوائي البعيد	يُعد المستوى الأرضي وتوجيه الكابل مهمين
هوائي من الألياف الزجاجية	البوابات الخارجية والبنية التحتية الثابتة	مناسب للتركيب الخارجي المرتفع	الكسب والارتفاع وفقد الكابل والحزمة الرأسية
هوائي GNSS	أجهزة التتبع وتحديد المواقع	يستقبل إشارات الملاحة عبر الأقمار الصناعية	يتطلب رؤية مناسبة للسماء وتداخلًا منخفضًا للترددات الراديوية

لا يوجد نوع من الهوائيات أفضل من غيره في جميع الحالات.

يعتمد الاختيار الصحيح على المنتج.

هوائيات PCB لأجهزة إنترنت الأشياء المدمجة ذات الإنتاج الكبير

يُطبع هوائي PCB مباشرةً على لوحة الدوائر، أو يُنفَّذ على لوحة PCB صغيرة مخصصة للهوائي.

قد يكون خيارًا جذابًا لمنتجات إنترنت الأشياء ذات الإنتاج الكبير لأنه يلغي مكوّن هوائي مرن منفصل، ويمكن أن يكون عالي القابلية للتكرار عندما تكون بنية PCB مضبوطة.

تشمل التطبيقات النموذجية:

مستشعرات المنازل الذكية؛
أجهزة Bluetooth؛
وحدات WiFi؛
عدادات ذكية؛
أجهزة تحكم عن بُعد؛
منتجات LoRa المدمجة أو منتجات النطاق دون GHz.

ومع ذلك، تعتمد هوائيات PCB بشدة على مستوى الأرضي للمنتج ومنطقة الخلوص.

إذا أصبحت اللوحة الرئيسية أصغر، أو تحركت البطارية، أو أُضيف حامل معدني، أو تغيّر الغلاف، فقد يتغير أداء الترددات الراديوية النهائي أيضًا.

ولهذا السبب، فإن الهوائي المرجعي المنسوخ من لوحة تقييم لا يضمن الأداء نفسه في جهاز تجاري.

لمزيد من التفاصيل، راجع دليل RFLink لاختيار هوائي PCB.

متى يكون هوائي PCB خيارًا قويًا

فكّر في استخدام هوائي PCB عندما:

تكون مساحة اللوحة في المنتج كافية؛
يكون الغلاف شفافًا أمام RF بشكل أساسي؛
يسمح الهيكل الميكانيكي بالحفاظ على مساحة خالية حول الهوائي؛
يُصنّع المنتج بكميات كبيرة؛
تكون التكلفة وسهولة التجميع عاملين مهمين.

هوائيات FPC عندما يكون أفضل موضع لـ RF بعيدًا عن لوحة PCB الرئيسية

تُستخدم هوائيات FPC على نطاق واسع في معدات IoT المدمجة لأن الهوائي لا يحتاج إلى البقاء على لوحة PCB الرئيسية.

يمكن تثبيت هوائي مرن في موضع أفضل داخل الغلاف وتوصيله عبر كابل محوري صغير.

يكون هذا مفيدًا بشكل خاص عندما تكون لوحة PCB محاطة بـ:

البطاريات؛
الشاشات؛
الكاميرات؛
الدروع المعدنية؛
المحركات؛
الموصلات؛
الإلكترونيات الرقمية عالية الكثافة.

يمكن أحيانًا تحريك الهوائي نحو حافة العلبة حيث تكون بيئة الترددات الراديوية أفضل.

تشمل التطبيقات النموذجية أجهزة التتبع، والأقفال الذكية، والأجهزة المحمولة باليد، وأجهزة الاستشعار الصناعية، والبوابات المدمجة، والمعدات المتصلة العاملة بالبطاريات.

الخاص بـ RFLink دليل هوائي FPC يوضح اعتبارات التموضع والكابل والموصل والعلبة والضبط بمزيد من التفصيل.

العيب الرئيسي هو أنه يجب التحكم في تموضع FPC أثناء التصنيع.

يمكن أن يؤدي تحريك الهوائي بضعة ملليمترات، أو تغيير موضع المادة اللاصقة، أو تغيير مسار الكابل، إلى تغيير سلوك الترددات الراديوية.

هوائيات زنبركية للأجهزة المدمجة العاملة في نطاق Sub-GHz

قد تكون الهوائيات الزنبركية مفيدة عندما يكون طول PCB محدودًا في المنتج ولكن تتوفر بعض المساحة الداخلية الرأسية.

وهي شائعة في وحدات التحكم اللاسلكية المدمجة، ومنتجات العدادات، وأجهزة الإنذار، وأجهزة الاستشعار، ومعدات إنترنت الأشياء العاملة في نطاق Sub-GHz.

فبدلًا من استخدام مسار طويل على PCB، يتشكل جزء من الطول الكهربائي في بنية زنبركية ثلاثية الأبعاد.

يمكن أن يساعد ذلك في ملاءمة هوائي منخفض التردد داخل جهاز مدمج.

ومع ذلك، فإن الهوائي الزنبركي ليس مستقلًا عن المنتج.

يمكن أن يتأثر ضبطه بما يلي:

أرضي PCB؛
موضع التركيب؛
البطارية القريبة؛
enclosure;
المكونات المعدنية؛
تفاوتات الإنتاج.

لذلك، ينبغي تقييم الهوائي الزنبركي ضمن التجميع النهائي.

هوائيات Rubber Duck للبوابات والأجهزة الطرفية الخارجية

تُعد هوائيات Rubber Duck من أكثر الهوائيات الخارجية شيوعًا.

وهي تُستخدم عادةً في:

بوابات إنترنت الأشياء؛
موجهات لاسلكية؛
الأجهزة الطرفية الصناعية؛
بوابات LoRa؛
معدات التحكم عن بُعد؛
أجهزة الاختبار والتطوير.

توفر عدة مزايا عملية.

يكون الهوائي خارج الغلاف، ويمكن غالبًا استبداله، وقد يستخدم موصلات قياسية مثل SMA أو RP-SMA وفقًا للنظام.

بالنسبة لمصنّع البوابة، يبسّط هذا بعض عمليات دمج RF الداخلية مقارنةً بهوائي مدمج.

ومع ذلك، لا يزال الهوائي الخارجي بحاجة إلى تغطية ترددية مناسبة واتجاه صحيح.

يجب على مصمم المنتج أيضًا مراعاة:

قوة الموصل؛
دوران الهوائي من قبل المستخدم؛
المساحة الخالية حول الهوائي؛
العزل المائي عند الحاجة؛
ما إذا كان يمكن أن تتصادم عدة هوائيات ماديًا؛
التباعد بين الهوائيات في البوابات متعددة الراديو.

هوائيات بقاعدة مغناطيسية للخزائن المعدنية والتركيب المرن

ينقل الهوائي ذو القاعدة المغناطيسية عنصر الإشعاع بعيدًا عن غلاف الراديو، ويسمح بوضعه على سطح معدني مناسب.

يفيد هذا في:

خزائن التحكم الصناعية؛
معدات المراقبة المؤقتة؛
أنظمة الاختبار الميداني؛
المركبات؛
معدات البيع الآلي أو الأكشاك؛
آلات معدنية.

يتيح الكابل وضع الهوائي في مكان يكون فيه مسار الإشارة أفضل.

لكن سطح التركيب قد يصبح جزءًا من نظام الترددات الراديوية.

قد يؤثر حجم السطح المعدني وشكله في نمط الهوائي أو مطابقته، اعتمادًا على تصميم الهوائي.

كما يضيف طول الكابل فقدًا.

لذلك ينبغي اختبار الهوائي المغناطيسي على سطح تركيب تمثيلي وليس في الفضاء الحر فقط.

هوائيات من الألياف الزجاجية لبوابات إنترنت الأشياء الخارجية

غالبًا ما تُستخدم هوائيات الألياف الزجاجية عندما يجب أن توفر بوابة إنترنت الأشياء تغطية لمنطقة خارجية.

يمكن تركيبها على الأعمدة أو الجدران أو الأبراج أو مآوي المعدات أو أسطح المباني.

تشمل التطبيقات النموذجية:

بوابات LoRaWAN؛
بوابات الزراعة الذكية؛
القياس عن بُعد الصناعي؛
مركزات العدادات الذكية؛
المراقبة عن بُعد؛
شبكات WiFi الخارجية أو شبكات إنترنت الأشياء العاملة على 2.4 GHz.

الخاص بـ RFLink سلسلة هوائيات الألياف الزجاجية 868 MHz هو أحد الأمثلة على شكل هوائي خارجي يُستخدم في LoRaWAN وبوابات إنترنت الأشياء والعدادات الذكية والأنظمة اللاسلكية الصناعية.

قد يؤدي تركيب الهوائي في موضع أعلى إلى تحسين خلوص المسار، لكن الكسب الأعلى للهوائي ليس أفضل تلقائيًا.

بالنسبة إلى هوائي ألياف زجاجية متعدد الاتجاهات، غالبًا ما تؤدي زيادة الكسب إلى تضييق الحزمة الرأسية.

قد يؤثر ذلك في التغطية بالنسبة إلى العُقد أو الأجهزة القريبة الموجودة على ارتفاعات مختلفة.

يجب أيضًا مراعاة فقدان الكابل عندما يُركّب الهوائي بعيدًا عن البوابة.

هوائيات GNSS لتتبع إنترنت الأشياء وتحديد المواقع

تحتاج العديد من أنظمة إنترنت الأشياء إلى وظيفتين مختلفتين تمامًا في الترددات الراديوية:

الاتصال؛
تحديد المواقع.

يتواصل الهوائي الخلوي مع شبكة هاتف محمول أرضية.

يستقبل هوائي GNSS إشارات الملاحة عبر الأقمار الصناعية.

لذلك، تؤدي هذه الهوائيات وظائف مختلفة ولها متطلبات تركيب مختلفة.

يشيع استخدام GNSS في:

متتبعات الأصول؛
أنظمة الأساطيل؛
حزم البطاريات الذكية؛
معدات لوجستية؛
أجهزة صناعية محمولة؛
محطات مراقبة خارجية.

عادةً ما يستفيد هوائي GNSS من موقع يتمتع برؤية جيدة نحو السماء ومسافة كافية عن مصادر التشويش المحلية القوية.

في أجهزة التتبع الصغيرة، قد يضطر هوائي GNSS إلى مشاركة مساحة محدودة جدًا مع الاتصال الخلوي وWiFi وBluetooth والبطارية والشاشة.

وهذا يجعل التكامل على مستوى الجهاز مهمًا بشكل خاص.

قد يحتاج جهاز إنترنت الأشياء واحد إلى عدة هوائيات

تجمع معدات إنترنت الأشياء الحديثة بشكل متزايد بين عدة وحدات راديو.

قد تتضمن بوابة الشبكة:

MIMO الخلوي؛
WiFi؛
Bluetooth؛
LoRa؛
GNSS.

قد يحتوي جهاز التتبع على:

اتصالات خلوية؛
GNSS؛
Bluetooth.

قد يحتوي مجمّع العدادات الذكية على:

اتصالات sub-GHz؛
النقل الخلوي الخلفي؛
اتصال خدمة WiFi أو Bluetooth.

لا يمكن وضع هذه الهوائيات بشكل مستقل.

يجب أن يراعي التصميم:

العزل بين الهوائيات؛
توجيه الكابلات؛
الاستقطاب؛
بنية التأريض؛
الضوضاء الرقمية القريبة؛
أسطح العلبة المتاحة؛
موقع موصل RF.

لهذا السبب، غالبًا ما تتطلب منتجات إنترنت الأشياء متعددة الراديو تخطيط الهوائيات مبكرًا في عملية التصميم الميكانيكي.

التردد يأتي قبل نوع الهوائي

لا فائدة من بنية FPC الأنيقة إذا لم تغطِّ تردد الراديو.

لا يكون هوائي الألياف الزجاجية مناسبًا لمجرد أن المنتج في الخارج.

السؤال التقني الأول دائمًا هو:

ما التردد الذي يستخدمه الراديو الفعلي؟

يمكن أن يعتمد ذلك على:

المعيار اللاسلكي؛
وحدة؛
التنظيم الإقليمي؛
المشغّل؛
سوق المنتج.

تعتمد أنظمة إنترنت الأشياء Sub-GHz على المنطقة بشكل خاص.

قد يتطلب منتج مخصص لعدة دول متغيرات هوائي مختلفة أو حلاً مصمماً بعناية لنطاق أوسع.

الخاص بـ RFLink دليل النطاق الترددي يوضح العلاقة بين تردد الهوائي ومتطلبات النظام اللاسلكي.

لا تختر هوائي إنترنت الأشياء بالاعتماد على الكسب وحده

الكسب ليس سوى أحد معاملات التردد الراديوي.

ينبغي أيضاً تقييم هوائي إنترنت الأشياء من حيث:

عرض النطاق الترددي التشغيلي؛
VSWR أو فقدان الإرجاع؛
الكفاءة؛
المعاوقة؛
نمط الإشعاع؛
الاستقطاب؛
فقدان الكابل؛
العزل في الأنظمة متعددة الهوائيات.

قد يستفيد مستشعر إنترنت الأشياء الداخلي الصغير من الكفاءة الجيدة والتغطية المتوازنة أكثر مما يستفيد من قيمة كسب ذروي مرتفعة.

قد تستفيد بوابة خارجية من كسب إضافي، ولكن فقط إذا كان نمط الشعاع الناتج يتوافق مع توزيع العقد.

الجهاز النهائي يغيّر الهوائي

من أهم الدروس في تصميم هوائيات إنترنت الأشياء أن الهوائي لا يعمل بمفرده.

قد يتضمن المنتج النهائي:

بطارية;
شاشة;
لوحة PCB؛
مستوى الأرض;
إطار معدني؛
غطاء تدريع;
كابل;
براغي؛
مستشعرات;
الموصلات؛
enclosure;
جسم الإنسان أو سطح التركيب.

كل هذه العوامل يمكن أن تؤثر في سلوك الترددات الراديوية.

الخاص بـ RFLink دليل ضبط الهوائي على مستوى الجهاز يوضح سبب احتمال انزياح رنين الهوائيات، أو فقدانها للكفاءة، أو تغيّر أنماط إشعاعها بعد التجميع النهائي.

لذلك، ينبغي تنفيذ التحقق من الهوائي في الجهاز النهائي الفعلي أو في جهاز نهائي ممثّل.

سير عمل عملي لاختيار هوائي إنترنت الأشياء

الخطوة 1: تحديد الأنظمة اللاسلكية

اسرد كل تقنية راديو ونطاق ترددي.

الخطوة 2: تحديد دور الجهاز

هل هو مستشعر صغير، أم جهاز قابل للارتداء، أم متتبع، أم عداد، أم بوابة، أم جهاز بنية تحتية ثابت؟

الخطوة 3: مراجعة الهيكل الميكانيكي

حدد مساحة PCB، وموضع البطارية، والمعادن، وأسطح التثبيت المتاحة، ومسارات الكابلات.

الخطوة 4: اتخاذ قرار التثبيت الداخلي أو الخارجي

لا تتخذ هذا القرار بناءً على المظهر فقط.

راعِ بيئة RF والتركيب.

الخطوة 5: اختيار أنواع الهوائيات المرشحة

قارن بين خيارات PCB وFPC والزنبرك والهوائي المطاطي الخارجي والمغناطيسي والألياف الزجاجية، أو خيارات GNSS المتخصصة.

الخطوة 6: إنشاء نموذج أولي في الجهاز الحقيقي

أجرِ القياس بعد تركيب المكوّنات الرئيسية.

الخطوة 7: التحقق من حالات الاستخدام الفعلية

اختبر الجهاز في وضع التركيب المعتاد وبيئة التشغيل.

الخطوة 8: تأكيد قابلية تكرار الإنتاج

تأكد من أن تفاوت التجميع لا يؤدي إلى تفاوت كبير في RF.

الأسئلة الشائعة

ما الهوائي الأفضل لجهاز إنترنت الأشياء؟

لا يوجد نوع واحد أفضل من غيره. يعتمد الهوائي المناسب على التردد، وحجم الجهاز، والمبيت، وبيئة التركيب، ومتطلبات المدى، وما إذا كان المنتج متنقلًا أم ثابتًا.

هوائي PCB أم FPC لإنترنت الأشياء؟

تعد هوائيات PCB خيارًا جاذبًا للمنتجات المدمجة ذات الإنتاج الكمي الكبير التي تتوفر لها مساحة مناسبة على اللوحة ومنطقة خلوص. وتوفر هوائيات FPC مرونة أكبر في التموضع عندما يكون أفضل موقع للترددات اللاسلكية بعيدًا عن لوحة PCB الرئيسية.

متى ينبغي لجهاز إنترنت الأشياء استخدام هوائي خارجي؟

تعد الهوائيات الخارجية مفيدة بشكل خاص في المبيتات المعدنية والبوابات والمعدات الخارجية والمنتجات التي تتطلب تموضعًا مرنًا للهوائي أو سهولة أكبر في استبداله.

لماذا استخدام هوائي من الألياف الزجاجية لبوابة إنترنت الأشياء؟

يمكن تركيب هوائي من الألياف الزجاجية خارج حاوية البوابة وفوقها، مما قد يحسّن خلوص المسار للشبكات الخارجية واسعة النطاق.

هل يحتاج هوائي إنترنت الأشياء إلى ضبط مخصص؟

لا تتطلب كل المنتجات هوائيًا مخصصًا بالكامل، لكن التحقق النهائي من الجهاز مهم. غالبًا ما تستفيد المنتجات المدمجة والهياكل المعدنية والأنظمة متعددة الراديوهات والحاويات غير المعتادة من الضبط على مستوى الجهاز.

الخلاصة

فعّال اختيار هوائي إنترنت الأشياء يبدأ بالجهاز، لا بكتالوج الهوائيات.

يمكن أن تناسب هوائيات PCB المنتجات المدمجة ذات الإنتاج الضخم.

توفر هوائيات FPC وضعًا داخليًا مرنًا.

يمكن أن تلائم هوائيات الزنبرك بعض أجهزة sub-GHz المدمجة.

توفر الهوائيات المطاطية والمغناطيسية مرونة في التركيب الخارجي.

تعد هوائيات الألياف الزجاجية مفيدة للبوابات الخارجية.

تدعم هوائيات GNSS تحديد المواقع في أجهزة التتبع والمعدات المتصلة.

يعتمد الاختيار الصحيح على التردد والغلاف وبنية التأريض والبيئة ودور الشبكة ومتطلبات الإنتاج.

عندما يتعذر على هوائي قياسي تلبية متطلبات المساحة المتاحة أو التردد أو الموصل أو البيئة أو الأداء، فإن لدى RFLink حلول الهوائيات المخصصة إمكانية دعم تطوير هوائيات على مستوى الجهاز بدءًا من التقييم والضبط وصولاً إلى الإنتاج.