Cum să abordați atât rețelele IoT tradiționale, cât și rețelele IoT wireless 5G cu ajutorul antenelor de bandă largă

Pe lângă smartphone-urile de mare vizibilitate pentru consumatori, legăturile wireless bazate pe 5G se adresează diverselor aplicații integrate, cum ar fi Internetul lucrurilor (IoT), legăturile de la mașină la mașină (MTM), rețeaua inteligentă, distribuitoarele automate, gateway-urile, routerele, securitatea și conectivitatea de monitorizare la distanță. Cu toate acestea, trecerea la 5G nu se va face peste noapte. Aceasta creează o nevoie de utilizare a antenelor la front-end-ul legăturii de comunicare wireless care să poată utiliza atât 5G, cât și legăturile tradiționale 2G, 3G și alte legături non-5G care vor rămâne în vigoare în anii următori, chiar dacă 5G va câștiga tot mai mult teren.

Din aceste motive, inginerii trebuie să proiecteze produse pentru alte benzi în afară de cele care acceptă standardele 5G. Chiar dacă front-end-ul RF intern sau amplificatorul de putere diferă pentru fiecare bandă, există avantaje în a avea o singură antenă în bandă largă care să deservească atât benzile 5G, cât și benzile tradiționale.

Acest articol analizează antenele de bandă largă care deservesc spectrul 5G în bandă joasă, precum și benzile tradiționale, așa cum sunt reprezentate de unități ilustrative de la Abracon LLC. Articolul arată cum utilizarea acestui tip de antene – fie ca unități externe vizibile, fie ca unități interne încorporate – poate facilita proiectarea, simplifica lista de materiale (BOM) și facilita instalarea unui upgrade la 5G, dacă este necesar.

Începeți cu benzile de reglementare

Antenele reprezintă ultimul element al traseului semnalului de transmisie RF și primul în traseul complementar al receptorului. Antenele au funcția de traductor între lumea circuitului de curent și tensiune și lumea RF de energie radiată și câmpuri electromagnetice.

Atunci când selectați o antenă pentru aplicația țintă, este important să luați în calcul faptul că antena funcționează fără a ține cont de tipul de modulație sau de standardul industrial pentru care este utilizată. Niciunul dintre parametrii utilizați pentru selectarea antenei – cum ar fi frecvența centrală, lățimea de bandă, câștigul, puterea nominală sau dimensiunea fizică – nu depinde de faptul că antena este utilizată pentru semnale cu modulație de amplitudine, de frecvență sau de fază (AM, FM, PM), sau pentru formate de semnal 3G, 4G, 5G sau chiar pentru formate de semnal brevetate.

Desigur, proiectele de sistem pentru aplicațiile emergente care acceptă standardele 5G primesc o atenție semnificativă în ceea ce privește proiectarea, în special pentru benzile 5G sub 6 gigahertzi (GHz), unde se găsește cea mai mare parte a activității 5G. Este important să se facă distincția între standardul wireless pe care îl acceptă sistemul și frecvența și spectrul utilizate, care determină selecția antenei.

Noile standarde 5G utilizează segmente de spectru care nu erau disponibile până acum și, în același timp, valorifică părți din spectrul deja utilizat, prin încorporarea unor scheme de modulație de nivel superior pentru un randament mai mare. Astfel, în timp ce compatibilitatea din cadrul industriei și al operatorilor pentru un standard existent poate fi eliminat treptat, cum ar fi 3G în 2022, unele părți din spectrul utilizat de 3G vor fi în continuare utilizate pentru 4G și chiar pentru 5G (Figura 1).

Figura 1: frecvențele cuprinse între 600 și 6000 MHz acceptă mai multe standarde, cum ar fi 3G, 4G și 5G, cu o anumită suprapunere a spectrului. (Sursa imaginii: Abracon LLC)

Acest lucru înseamnă că antenele care acceptă benzile 3G sau 4G încă pot fi viabile și pentru 5G și invers. Este posibil ca standardul să fie scos treptat din uz, dar nu și antena acestuia, iar compatibilitatea anterioară/ulterioară a antenelor este posibilă. În fiecare dintre aceste cazuri, reutilizarea antenelor care acceptă mai multe standarde și benzi este o soluție practică și adesea de dorit.

Alte standarde importante în spectrul RF de la 600 megahertzi (MHz) la 6 GHz includ:

• Serviciul radio în bandă largă pentru cetățeni (CBRS), un segment ușor reglementat de 150 MHz în intervalul 3550 MHz - 3700 MHz (3,5 GHz - 3,7 GHz). În Statele Unite, Comisia Federală pentru Comunicații (FCC) a desemnat acest serviciu pentru partajarea între trei niveluri de utilizatori: utilizatorii tradiționali, utilizatorii de licențe de acces prioritar (PAL) și utilizatorii de acces general autorizat (GAA).
• LTE-M, abrevierea pentru LTE Cat-M1 (adesea numit CAT M) sau Long-Term Evolution (4G), categoria M1. Această tehnologie permite dispozitivelor IoT cu ciclu de funcționare redus, alimentate cu baterii, să se conecteze direct la o rețea 4G fără a fi nevoie de un gateway.
• Narrowband-IoT (NB-IoT) este o tehnologie wireless de nivel celular care utilizează multiplexarea cu diviziune în frecvență ortogonală (OFDM) în spectrul 3G. Este o inițiativă a Third Generation Partnership Project (3GPP) – organizația care se ocupă de standardizarea sistemelor celulare – de a răspunde nevoilor dispozitivelor cu viteză foarte mică de transfer de date, care trebuie să se conecteze la rețelele mobile și care sunt adesea alimentate de baterii.

O notă despre terminologia de bandă largă și benzi multiple, deoarece există posibilitatea de confuzie și ambiguitate. „Bandă largă” se referă la o antenă cu o lățime de bandă care reprezintă o fracțiune semnificativă din frecvența sa centrală. Deși nu există o definiție formală a acestui număr, în mod neoficial înseamnă, de obicei, o lățime de bandă care reprezintă cel puțin 20-30% din frecvența centrală. În schimb, prin „benzi multiple” se înțelege o antenă proiectată pentru a accepta două sau mai multe benzi, așa cum sunt definite de standardele de reglementare; aceste benzi pot fi foarte apropiate sau foarte îndepărtate.

Un exemplu extrem de bun de antenă pentru benzi multiple ar fi o antenă care funcționează simultan pentru radiodifuziune AM (de la 550 până la 1550 kilohertzi (kHz)) și pentru radiodifuziune FM (de la 88 până la 108 MHz). O antenă pentru benzi multiple poate fi de bandă largă, dar acest lucru nu este obligatoriu.

Indiferent de numărul, distanța și lățimile de bandă pe care le acceptă, o antenă pentru benzi multiple are o singură conexiune RF, chiar dacă în interior poate cuprinde două sau mai multe antene distincte combinate. Spre deosebire de o antenă mai simplă în bandă largă, o antenă pentru benzi multiple poate fi proiectată în mod deliberat cu spații goale în acoperirea câștigului pe toată lățimea de bandă pentru a minimiza interferențele între canale.

Antenă internă sau externă

Standardul de conectivitate wireless pentru care este utilizată antena nu este o problemă de proiectare a antenei, dar frecvența și lățimea de bandă sunt, cu siguranță, considerente care fac din implementarea fizică a antenei o decizie importantă. Un aspect important în ceea ce privește proiectarea este acela de a utiliza o antenă externă sau una încorporată în produsul final.

Antenele interne au aceste atribute:

• Permit un pachet mai elegant, fără atașamente externe care să se rupă sau să se agațe
• Antena încorporată este întotdeauna conectată și disponibilă
• Au limitări inerente în ceea ce privește acoperirea, eficiența, modelele de radiație și alte criterii de performanță
• Performanța antenei încorporate va fi afectată de circuitele adiacente, astfel că amplasarea sa este strâns corelată cu dimensiunea plăcii de circuite, aspectul, componentele și aranjamentul general
• Mâna sau corpul utilizatorului poate induce modificări în modelul antenei, în eficiență și în performanță

În schimb, antenele externe posedă aceste caracteristici:

• Oferă mai multe posibilități de adaptare a modelelor de radiație, a lățimii de bandă și a câștigului, deoarece au mai multe grade de libertate în ceea ce privește proiectarea
• Nu trebuie să fie atașate la unitatea IoT/RF și pot fi amplasate în mod optim la o distanță modestă prin utilizarea unui cablu coaxial
• Sunt mai puțin afectate sau nu sunt deloc afectate de aspectele electrice ale proiectării și ambalării produselor
• Sunt disponibile în mai multe stiluri și configurații
• Necesită un conector sau un cablu pentru atașare, care poate fi un punct de defectare

Alegerea între o antenă externă și una internă se face, de obicei, în funcție de mai mulți factori. Acestea includ aplicația produsului final și preferințele utilizatorului, în raport cu performanța și depind de utilizarea antenei – dacă aceasta va fi într-o situație mobilă sau fixă. De exemplu, un smartphone cu o antenă externă ar putea fi considerat ciudat. În schimb, un nod IoT fixat, cu o antenă externă și, posibil, ușor îndepărtată, ar putea oferi o conectivitate mai bună și mai consecventă.

Avantajele antenei pentru benzi multiple

Antenele pentru benzi multiple pot satisface aplicațiile existente și, în același timp, pot asigura proiectarea pentru upgrade-uri viitoare, inclusiv conectivitatea 5G. Dar de ce să luăm în considerare o astfel de antenă dacă se cunosc parametrii și specificul instalației? Există mai multe motive întemeiate:

• Se poate utiliza o singură antenă pentru o familie de produse care vizează benzi diferite, simplificând astfel gestionarea inventarului și achizițiile
• O antenă internă pentru benzi multiple rezultă într-un pachet mai mic, în timp ce o antenă externă reduce numărul de conectori de antenă de pe carcasa produsului
• Antena pentru benzi multiple poate deservi un dispozitiv IoT în cazul în care este posibil sau anticipat un upgrade la o bandă nouă, cum ar fi 5G, fie din motive de performanță, fie din cauza eliminării treptate a benzii și a standardului existent.
• O singură antenă externă pentru benzi multiple asigură uniformitate în ceea ce privește tehnicile și instrumentele de instalare
• Pentru aplicațiile critice fixe și, în special, mobile, secțiunea RF a dispozitivului poate oferi compatibilitate pentru două benzi, permițând dispozitivului să comute dinamic între benzi pentru o performanță optimă într-un anumit loc sau mediu
• Proiectanții pot utiliza o singură antenă internă pentru benzi multiple în dispozitive care nu au legătură între ele, dar câștigă prin valorificarea experienței lor în ceea ce privește modelarea antenei, plasarea și posibilele probleme de producție

Exemple de antene pentru benzi multiple din lumea reală

În ciuda performanțelor lor în bandă largă, antenele pentru benzi multiple nu sunt limitate în ceea ce privește factorul de formă sau tipul de terminație, după cum ilustrează trei exemple.

AEBC110101X-S este o antenă-vergea celulară 5G/4G/LTE care măsoară 115 milimetri (mm) în lungime, cu un diametru maxim de 19 mm, proiectată pentru funcționarea între 600 MHz și 6 GHz (Figura 2). Aceasta este prevăzută cu un conector SMA standard tip tată care se poate roti la 90° pentru montarea directă pe carcasa produsului (poate fi utilizată și cu un cablu coaxial extensibil); este disponibil și un conector SMA cu polaritate inversă.

Figura 2: antena-vergea celulară AEBC1101X-S 5G/4G/LTE este proiectată pentru funcționarea între 600 MHz și 6 GHz și este dotată cu un conector coaxial SMA integrat cu rotație de 90°. (Sursa imaginii: Abracon LLC)

Raportul de undă staționară de joasă tensiune (VSWR) și performanța de câștig maxim sunt destul de constante pe întreaga bandă, deși există o schimbare de eficiență între intervalele inferioare și superioare de frecvență (Figura 3).

Figura 3: antena-vergea celulară AEBC1101X-S 5G/4G/LTE prezintă schimbări modeste în ceea ce privește performanța între intervalele de frecvențe inferioare (600 - 960 MHz) și superioare (1400 - 6000 MHz). (Sursa imaginii: Abracon LLC)

Modelul de radiație este destul de circular pe întreaga bandă, cu câțiva lobi mici care apar la 3600 MHz și care devin ușor mai evidenți la 5600 MHz (Figura 4).

Figura 4: modelul de radiație X-Y pentru AEBC1101X-S se modifică între 3600 și 5600 MHz, cu apariția unor lobi. (Sursa imaginii: Abracon LLC)

Antena tip lamă AECB1102XS-3000S 5G/4G/LTE/NB-IoT/CAT, tot pentru funcționarea între 600 MHz și 6 GHz, măsoară 115,6 mm lungime × 21,7 mm lățime și are un profil foarte subțire, de numai 5,8 mm (Figura 5). Este proiectată pentru instalare ușoară și convenabilă pe o suprafață plană cu ajutorul unei benzi adezive.

Figura 5: antena tip lamă AECB1102XS-3000S 5G/4G/LTE/NBIOT/CAT, tot pentru gama de la 600 MHz până la 6 GHz, este o antenă cu profil redus proiectată pentru a fi montată cu ușurință pe o suprafață plană prin simpla utilizare a unei benzi adezive. (Sursa imaginii: Abracon LLC)

Performanțele sale RF sunt similare cu cele ale AEBC1101X-S, cu un VSWR maxim sub 3,5, dar câștigul maxim este puțin mai mic, de 2 decibeli, în raport cu un radiator izotropic (dBi). Modelul de radiație în planurile X-Y și X-Z este, de asemenea, mai complex (Figura 6).

Figura 6: modelele de radiație X-Z și Y-Z pentru antena tip lamă AECB1102XS-3000S prezintă un set mai complex de lobi decât antena-vergea. (Sursa imaginii: Abracon LLC)

O diferență notabilă între AEBC1101X-S și AECB1102XS-3000S constă în terminațiile disponibile. Unitatea tip lamă AECB1102XS-3000S are în dotare standard un cablu coaxial LMR-100 de 1 metru (m) (acesta înlocuiește tipurile de cablu RG174 și RG316) terminat cu conectorul SMA de tip tată, utilizat pe scară largă. Cu toate acestea, poate fi comandată aproape orice lungime de cablu, iar tipurile de conectori, în afară de SMA, sunt, de asemenea, oferite ca opțiuni standard pentru flexibilitate în conectare (Figura 7).

Figura 7: cablul coaxial standard pentru AECB1102XS-3000S se termină cu un conector SMA (M), dar sunt oferite multe alte opțiuni de conectare. (Sursa imaginii: Abracon LLC)

Antena cu cip ceramic de bandă largă de 600-6000 MHz ACR4006X este un dispozitiv de montare pe suprafață care măsoară doar 40 × 6 × 5 mm înălțime. În timpul funcționării, este nevoie de o mică rețea de potrivire a impedanței de tip inductor-condensator (LC) formată dintr-un inductor de 8,2 nanohenry (nH) și un condensator de 3,9 picofarazi (pF) (fiecare de dimensiunea 0402) pentru a obține impedanța dorită de 50 ohm (Ω) (Figura 8).

Figura 8: antena cip ceramică de bandă largă de 600-6000 MHz ACR4006X are o amprentă de doar 40 × 6 mm și necesită doar două componente pasive mici pentru potrivirea impedanței de 50 Ω. (Sursa imaginii: Abracon LLC)

Fișa tehnică a ACR4006X indică faptul că este un dispozitiv de la 600 până la 6000 MHz, dar rețineți că graficele sale de eficiență, câștig maxim și câștig mediu prezintă unele spații goale (Figura 9). Acest lucru este voit, deoarece această antenă pentru benzi multiple este proiectată și optimizată pentru performanțe în trei benzi specifice din acest interval: între 600 și 960 MHz, între 1710 și 2690 MHz și între 3300 și 6000 MHz pentru a accepta alocările 3G, 4G și 5G, precum și unele alocări de spectru mai mici.

Figura 9: diagramele de eficiență și de câștig pentru ACR4006X de la 600 la 6000 MHz prezintă spații goale, dar acestea nu sunt de interes pentru utilizatori, deoarece nu se află în benzile de operare 3G, 4G și 5G. (Sursa imaginii: Abracon LLC)

Deoarece ACR4006X nu este destinată receptoarelor GPS, performanța sa nu este specificată la frecvențele purtătoare GPS de 1575,42 MHz (purtătoare L1) și 1227,6 MHz (purtătoare L2).

Modelul de radiație X-Y al ACR4006X este, de asemenea, o funcție de frecvență, dar păstrează încă o formă aproximativ circulară pe toată banda sa largă, cu doar câteva scăderi modeste ale câștigului la 90° și 270° în gama de frecvențe joase (Figura 10).

Figura 10: modelul de radiație X-Y al antenei cip ACR4006X este aproximativ circular, dar are unele scăderi de câștig dependente de frecvență la 90° și 270°. (Sursa imaginii: Abracon LLC)

Evaluarea performanțelor unei antene începe cu fișa tehnică, urmată adesea de o confirmare cu ajutorul unei camere anecoice și, în cele din urmă, de teste pe teren cu produsul final. Factorii care afectează performanța reală a antenei externe sunt carcasa, corpul și mâinile utilizatorului în cazul unităților mobile, precum și localizarea și amplasarea antenei. În mare măsură, aceasta se poate decupla de configurația plăcii de circuite interne a produsului.

În schimb, performanța unei unități interne, cum ar fi antena cip ACR4006X, este afectată de componentele adiacente și de placa de circuite imprimate. Din acest motiv, Abracon oferă placa de evaluare ACR4006X-EVB pentru a asigura un mijloc de a facilita evaluarea tehnică a acestei antene cip.

Placa este utilizată împreună cu un analizor de rețea vectorială (VNA). După calibrarea inițială a configurației – o etapă standard în majoritatea testelor VNA – performanța antenei este evaluată prin intermediul portului calibrat al VNA, utilizând conectorul SMA de pe placă.

Placa de evaluare măsoară 120 × 45 mm și este dimensionată cu precizie pentru amplasarea corectă a antenei cip. Acesta include zona obligatorie cu spațiu liber de 45 × 13 mm în jurul antenei pentru o funcționare corectă (Figura 11).

Figura 11: placa de evaluare ACR4006X-EVB măsoară doar 120 × 45 mm și facilitează evaluarea antenei cip prin intermediul conectorului SMA; fișa tehnică indică zonele și dimensiunile critice de dispunere. (Sursa imaginii: Abracon LLC)

Concluzie

Antenele pentru benzi multiple răspund provocărilor dispozitivelor IoT, în special celor care trebuie să accepte o singură bandă în prezent, oferind în același timp o cale mai ușoară de upgrade către standarde mai noi, cum ar fi 5G. De asemenea, acestea permit unui sistem să accepte mai multe benzi pentru a optimiza performanța în zonele în care conectivitatea nu este asigurată pe o singură bandă. După cum s-a arătat, antenele interne de la Abracon montate pe placa de circuite permit un pachet mai elegant, în timp ce antenele lor externe care utilizează fie un conector RF integrat, fie un cablu coaxial, oferă flexibilitate în amplasare pentru un traseu de semnal optim.