de uitdaging.
Waarnemingen in het veld lieten een duidelijk patroon zien: de communicatiesprestaties namen af vlak voor de aftrap. Op dat moment raakt de RF-omgeving steeds voller door uitzendapparatuur, wifi-netwerken en duizenden apparaten van toeschouwers die actief zijn in de 2,4 GHz-band. Hierdoor daalt de carrier-to-noise-verhouding (C/N) van de BLE-verbinding tot onder het niveau dat nodig is voor betrouwbare gegevensoverdracht.
De uitdaging was niet alleen om de bron van deze verstoringen in kaart te brengen, maar vooral ook om te bepalen welke hardwareparameters de grootste kans boden op verbetering.
Voor dit project werkten we nauw samen met Demcon multiphysics, specialist in simulaties.
eerst inzicht met elektromagnetische simulaties.
Demcon multiphysics begon met een verkennende simulatiestudie om de belangrijkste factoren achter het probleem te identificeren. De eerste elektromagnetische simulaties maakten duidelijk welke ontwerpparameters de grootste invloed hadden op de prestaties van het systeem. Uit de analyse bleek dat de positie van de antenne ten opzichte van de printplaat (PCB) een grote impact heeft op zowel het resonantiegedrag als de stralingseigenschappen van de antenne. Deze inzichten vormden de basis voor verdere experimentele validatie.
antenneprestaties meten onder realistische omstandigheden.
Om het gedrag van de antennes in de praktijk te valideren, voerde Demcon electronics een reeks RF-metingen uit in de eigen anechoïsche kamer. Hierbij werden zowel de tracker die de sporter draagt als de Smarthub-ontvanger onderzocht. Zo kon het team de invloed van antennepositionering, absorptie door het menselijk lichaam en polarisatie-effecten nauwkeurig bepalen.
Onze anechoïsche kamer in Deventer (7,5 × 4 × 4 meter) biedt een reflectievrije omgeving die essentieel is voor nauwkeurige metingen van antennes en stralingspatronen. De opstelling bestond uit een Vector Network Analyzer (Copper Mountain PLANAR R54), een spectrum analyzer (Rigol DSA875TG), een ASTRO 18S hoornantenne en een gemotoriseerde draaitafel.
Een belangrijke productspecificatie is de invloed van het menselijk lichaam op het BLE-signaal van de tracker. De tracker wordt gedragen in een vest op de rug van de speler. Het lichaam absorbeert en reflecteert daarbij een deel van de elektromagnetische straling. Om dit effect te meten, droeg een collega het sportvest met tracker terwijl de draaitafel in 60 seconden een volledige rotatie van 360 graden maakte.
De metingen maakten duidelijk dat het menselijk lichaam het signaal met ongeveer 4 dB verzwakt. Dat komt overeen met een afname van het effectieve bereik met een factor 1,6. Daarnaast bleek horizontale polarisatie dominant: deze straalde 6,67 dB (4,7 keer) meer vermogen uit dan verticale polarisatie. De conclusie was daarom helder: de Smarthub moest de ontvangst van horizontaal gepolariseerde signalen optimaliseren.
resultaten van de metingen.
De metingen lieten zien dat de bestaande trackerantenne al dicht bij de praktische grenzen presteerde die worden bepaald door de compacte behuizing en de invloed van het menselijk lichaam. De grootste winst was daarom te behalen aan de ontvangende kant van het systeem. Op basis van deze inzichten richtte het projectteam zich op het optimaliseren van de architectuur van de Smarthub.
de ontvangstantenne optimaliseren.
De grootste prestatieverbeteringen werden gerealiseerd door de ontvangende zijde van de communicatielink opnieuw te ontwerpen. Via een gestructureerd meetprogramma werden verschillende antenne- en reflectorconfiguraties onderzocht om de relatie tussen antennepositie, stralingspatroon en ontvangen signaalsterkte te bepalen.
Met behulp van de anechoïsche kamer onderzochten de engineers hoe antennepositie, oriëntatie en omliggende structuren de stralingseigenschappen en gevoeligheid van de ontvanger beïnvloeden. Diverse configuraties werden getest om vast te stellen welke opstelling onder stadionomstandigheden de meest robuuste communicatie oplevert.
Om de interactie tussen de antenne en nabijgelegen geleidende oppervlakken beter te begrijpen, werd een dipoolantenne op verschillende afstanden (20 tot 60 mm) van een metalen reflector geplaatst. Deze reflector representeerde de elektronica achter de antenne. Voor elke configuratie werden het stralingspatroon en de antenneversterking gemeten en vergeleken met een referentiemeting in vrije ruimte.
De resultaten wezen op een duidelijk optimum. Door de antenne op ongeveer 30 tot 40 mm van de reflector te positioneren, nam de antenneversterking aanzienlijk toe. Op de optimale afstand werd een verbetering van 9,8 dB gemeten ten opzichte van de oorspronkelijke configuratie. Dit resulteert in een aanzienlijk grotere linkmarge, waardoor de ontvanger ook in RF-technisch uitdagende omgevingen met veel interferentie een betrouwbare verbinding kan behouden.
Vervolgmetingen brachten daarnaast mogelijkheden aan het licht om de antenneoriëntatie binnen het Smarthub-ontwerp verder te verbeteren. Het team constateerde dat het gemeten stralingspatroon afweek van de oorspronkelijke verwachtingen, wat aanleiding gaf tot aanvullend onderzoek naar alternatieve antenneconfiguraties. Een van de concepten die momenteel wordt onderzocht, maakt gebruik van afwisselende antennehoeken van ±45°. Hiermee kunnen koppelingseffecten worden verminderd, terwijl een betrouwbare ontvangst behouden blijft ongeacht de positie van spelers op het veld.
de impact.
De inzichten uit de RF-metingen zijn vertaald naar een geoptimaliseerd antenneontwerp voor de Smarthub. Vervolgens zijn meerdere systemen uitgerust met deze nieuwe configuratie en getest onder praktijkomstandigheden.
De resultaten in het veld bevestigden de bevindingen uit het laboratorium. Gebruikers rapporteerden een merkbaar stabielere verbinding tijdens trainingen en wedstrijden, vooral in omgevingen met veel draadloos verkeer. Vergelijkende metingen lieten bovendien zien dat het aantal communicatie-uitvalmomenten afnam ten opzichte van de eerdere antenne-oplossing.
Door simulatiegedreven inzichten te combineren met gerichte RF-karakterisatie en antennevalidatie leverde het project een praktische verbetering op met directe meerwaarde voor eindgebruikers. In plaats van het volledige systeem opnieuw te ontwerpen, lag de focus op de onderdelen met de grootste invloed op de prestaties. Dat resulteerde in een snellere en kosteneffectievere route naar een betrouwbaardere draadloze verbinding.
| Fase | Doel | Aanpak | Uitkomst |
|---|---|---|---|
| Simulatie â Demcon multiphysics | Snel itereren en de oorzaak achterhalen | Elektromagnetische simulaties in COMSOL | De ground plane blijkt een grote invloed te hebben op zowel S11 als het stralingspatroon |
| Tracker metingen â Demcon electronics | Prestaties valideren onder realistische omstandigheden | Metingen in de anechoïsche kamer, inclusief invloed van het menselijk lichaam | Het lichaam verzwakt het signaal met circa 4 dB; horizontale polarisatie is dominant (+6,67 dB) |
| Optimalisatie van de Smarthub | Ontwerpvariabelen met de grootste impact identificeren | Dipoolantenne gecombineerd met een vlakke reflector op 30-40 mm afstand | Tot 9,8 dB hogere versterking ten opzichte van de referentieconfiguratie |
| Antenne validatie | Prestaties bevestigen onder praktijkomstandigheden | Combinatie van simulaties en metingen in de anechoïsche kamer | Geoptimaliseerde patchantenne configuratie geselecteerd voor inzet in het veld |
meten. begrijpen. verbeteren.
"Elk draadloos systeem heeft te maken met interferentie. Het verschil zit in het vermogen om die te meten, te begrijpen en te overwinnen."