Folosiți antene robuste pentru benzi multiple pentru a rezolva problema conectivității mobile

Pe lângă smartphone-uri și dispozitivele din Internetul lucrurilor (IoT), un alt motor important pentru conectivitatea mobilă wireless este reprezentat de aplicațiile de transport, inclusiv căile ferate, camioane și urmărirea activelor. Aceste aplicații impun un set unic de cerințe semnificative asupra antenei de sistem, cum ar fi vibrațiile, șocurile, temperaturile extreme, ploaia, umiditatea și necesitatea de a funcționa pe lățimi de bandă ample și chiar pe mai multe benzi, oferind în același timp performanțe constante.

Deși este posibil să se proiecteze și să se construiască o antenă adecvată, în aproape toate aplicațiile dificile, cel mai logic este să se utilizeze o unitate standard, proiectată corespunzător, bine construită, complet caracterizată și disponibilă în comerț. În acest fel se reduc costurile și timpul de dezvoltare, crescând în același timp nivelul de încredere în proiectul final.

Acest articol examinează problemele asociate cu proiectarea antenelor de transport. În continuare sunt prezentate două antene pentru benzi multiple de la TE Connectivity, concepute pentru a fi montate pe suprafața unei monturi, inclusiv pe o „cutie” de bază și, eventual, pe un vehicul mobil expus.

Aplicațiile determină implementarea

Antena este traductorul vital între un circuit electronic și câmpurile electromagnetice (EM) din spațiul liber și, prin urmare, este adesea cel mai expus element al proiectului. Totuși, aceasta trebuie să ofere performanțele electrice și de radiofrecvență dorite, în ciuda condițiilor ambiante dificile, folosind un factor de formă compatibil cu proiectul general al sistemului.

Pentru sistemele de transport de marfă și, în special, pentru trenurile de mare viteză pentru pasageri, trebuie, de asemenea, să fie ușor de integrat într-o carcasă aerodinamică care să prezinte o rezistență minimă la vânt și să poată fi protejată de condițiile de mediu dure (Figura 1). Constrângeri similare se aplică și în cazul situațiilor de urmărire a activelor în care antena trebuie să fie expusă pentru a recepționa semnalele de la sistemul global de navigație prin satelit (GNSS).

Figura 1: conectivitatea mobilă care utilizează diverse standarde și benzi de frecvențe implică în prezent o așteptare față de instalațiile mobile de mare viteză, cum ar fi trenurile, ceea ce implică provocări legate de rezistența la vânt și de robustețea pentru condițiile mediului. (Sursa imaginii: TE Connectivity)

Antena optimă este o combinație atentă de caracteristici specifice aplicației, inclusiv modelele de radiație dorite, potrivirea adecvată a impedanței, raportul de undă staționară de joasă tensiune (VSWR), integritatea mecanică, potrivirea carcasei și ușurința de realizare a conexiunilor electrice. De asemenea, în multe cazuri, este necesar să se îmbunătățească traseul semnalului și să se maximizeze raportul semnal-zgomot (SNR) din front-end prin utilizarea unei antene active cu un amplificator de zgomot redus (LNA) integrat.

La fel ca în cazul tuturor componentelor, există câțiva parametri de top utilizați pentru a caracteriza aproape toate proiectele și instalațiile de antene, precum și alții care pot fi mai mult sau mai puțin critici într-o anumită situație. Pentru antene, modelele de radiație și performanța în banda specificată sunt considerente esențiale.

Punerea în aplicare a principiilor antenelor

Orientarea antenelor utilizate pentru transportul și urmărirea activelor reprezintă o provocare, deoarece este aleatorie și schimbătoare, ceea ce înseamnă că este important ca acestea să aibă un model omnidirecțional consecvent pentru vederile de sus și laterale pe toată banda specificată.

De exemplu, antena dublă M2M MiMo LTE 1-2309605-1 de la TE Connectivity este proiectată atât pentru benzile de la 698 până la 960 megahertzi (MHz), cât și pentru cele de la 1710 până la 3800 MHz și vizează aplicații 2G, 3G, 4G, celulare, GSM și LTE (Figura 2). O singură antenă poate fi eficientă pentru această listă de standarde, deoarece este independentă de formatul specific al semnalului pe care îl transmite sau standardul pe care îl susține; proiectarea acesteia este definită, în principal, de frecvență, lățime de bandă și putere.

Figura 2: 1-2309605-1 TE Connectivity este un singur modul alcătuit din două antene independente, una pentru funcționarea între 698 și 960 MHz și cealaltă pentru funcționarea între 1710 și 3800 MHz. (Sursa imaginii: TE Connectivity)

Rețineți că o antenă „dublă” nu este același lucru cu o antenă cu „bandă dublă”. O antenă dublă, cum ar fi 1-2309605-1, are două antene independente într-o singură carcasă și fiecare are propria sursă de alimentare; o unitate cu bandă dublă este o singură antenă cu o singură sursă de alimentare, proiectată pentru a accepta două (sau mai multe) benzi.

Dacă ne uităm la antena 1-2309605-1 pentru banda inferioară, diagrama de radiație a acesteia, atât pentru orientarea în sus, cât și pentru cea spre laterală, este uniformă pe toată lățimea de bandă, de la capătul inferior, la aproximativ 700 MHz, până la frecvențele superioare, la aproximativ 900 MHz (Figura 3).

Figura 3: graficele de câștig lateral (stânga) și superior (dreapta) ale 1-2309605-1 la 700, 800 și 900 MHz (rândul de sus, rândul din mijloc, respectiv rândul de jos) arată un model de radiație destul de uniform. (Material sursă imagine: TE Connectivity)

La 700 MHz (capătul inferior al benzii de frecvență), câștigul în decibeli în raport cu o antenă izotropă (dBi) – o măsură standard care indică directivitatea antenei – este de numai 1,5 dBi, ceea ce reprezintă un model de radiație destul de uniform. Această uniformitate și egalitate contribuie la o performanță constantă, indiferent de orientarea antenei. În plus, diagrama de radiație pentru capătul de frecvență superioară de 900 MHz este, de asemenea, destul de uniformă, cu un câștig de numai 4,5 dBi.

Un alt parametru important al antenei este VSWR, care este definit în mod formal ca raportul dintre tensiunea maximă și cea minimă sau raportul dintre undele staționare de tensiune transmise și reflectate pe o linie de transmisie fără pierderi. Într-un scenariu ideal, VSWR ar fi de 1:1. Deși acest lucru este adesea dificil de realizat, de obicei este acceptabil să se lucreze cu o valoare VSWR de o singură cifră.

Pentru antena dublă M2M MiMo LTE 1-2309605-1, care poate gestiona până la 20 de wați de putere de transmisie, VSWR maxim, atunci când se măsoară cu un cablu RG174 de 3 metri (m), este de aproximativ 3:1 la un capăt și mai aproape de 1,5:1 în majoritatea benzilor de funcționare (Figura 4). În general, acest nivel este suficient de scăzut pentru multe dintre aplicațiile vizate.

Figura 4: VSWR (axa verticală) pentru antena dublă 1-2309605-1 M2M MiMo LTE, măsurată cu 3 m de cablu RG174, prezintă o valoare scăzută pe întreaga gamă de frecvențe active (axa x). (Sursa imaginii: TE Connectivity)

În Figura 4, culoarea verde reprezintă elementul de frecvență joasă nr. 1, culoarea roșie este elementul de frecvență înaltă nr. 2, iar culoarea neagră este pentru elementele nr. 1 și nr. 2 în spațiu liber, în timp ce culoarea albastră este pentru elementele nr. 1 și nr. 2 pe un plan de masă de 400 × 400 milimetri (mm).

Antene amplasate împreună

Amplasarea împreună a două sau mai multor antene separate pentru a acoperi mai multe benzi este posibilă. Totuși, acest lucru duce la mai multe probleme potențiale. În primul rând, există problema evidentă a spațiului și a componentelor de montare necesare pe un panou sau pe o altă suprafață, precum și cea a costurilor de instalare asociate. În al doilea rând, există preocupări legate de interacțiunea electromagnetică dintre antene, care le va afecta modelele și performanțele; acest lucru limitează modul în care pot fi amplasate una față de cealaltă. Această interacțiune se măsoară ca o izolare a antenei, definind în ce măsură o antenă va capta radiația de la o altă antenă.

Soluția la această dilemă este utilizarea unei singure unități de antenă care combină mai multe antene într-o singură carcasă sau incintă. Din punct de vedere mecanic, acest lucru reduce dimensiunea totală, simplifică instalarea și traseul cablurilor de antenă și prezintă un aspect exterior simplificat.

Din punct de vedere electric, aceasta înseamnă că izolarea dintre antene poate fi măsurată și specificată în avans, reducând la minimum preocupările legate de interacțiunea neașteptată sau neprevăzută. Pentru antena dublă 1-2309605-1 M2M MiMo LTE, izolarea este de cel puțin 15 dB, crescând spre centrele ambelor benzi pe care le deservește unitatea (Figura 5).

Figura 5: izolarea (axa y, dB) dintre cele două antene din cadrul modulului cu antenă dublă 2309605-1 M2M MiMo LTE este de 15 dB sau mai mult, măsurată în funcție de frecvență (axa x, MHz). (Sursa imaginii: TE Connectivity)

O funcție activă de recepție a antenei

În plus față de cele două benzi acoperite de antena dublă 1-2309605-1, multe aplicații, cum ar fi urmărirea activelor, trebuie să primească semnale de la sistemele GNSS GPS (SUA), Galileo (Europa) și Beidou (China) pentru informații despre poziție sau timp. Pentru a simplifica această sarcină și pentru a evita necesitatea unei alte antene discrete externe, TE oferă 1-2309646-1. Aceasta adaugă la cele două antene ale unității cu antenă dublă o a treia antenă, doar cu recepție, pentru semnale GNSS între 1562 și 1612 MHz.

Cu toate acestea, necesitatea de a recepționa semnale GNSS adaugă o altă provocare pentru proiectantul de sistem, care revine la elementele de bază ale funcțiilor de transmisie versus recepție. Atunci când este utilizată pentru transmisie, antena și linia de alimentare a acesteia se află într-o situație deterministă. Acestea preiau semnalul cunoscut, controlat și bine definit de la amplificatorul de putere (PA) al emițătorului și îl radiază. Există puține probleme legate de zgomotul intern al semnalului, de interferențele în bandă sau de semnalele în afara benzii între amplificatorul de putere și antenă.

Datorită principiului reciprocității, care se aplică tuturor antenelor, aceeași antenă fizică utilizată pentru emisie poate fi utilizată și pentru recepție. Cu toate acestea, condițiile de funcționare pentru recepție diferă destul de mult față de cele pentru transmisie. Deoarece antena încearcă să capteze un semnal cu atribute necunoscute în prezența interferențelor și a zgomotului în bandă și chiar în afara benzii, semnalul recepționat dorit nu este determinist, deoarece are multe caracteristici aleatorii.

În plus, intensitatea semnalului recepționat este scăzută (de ordinul microvolților până la câțiva milivolți), iar SNR este, de asemenea, scăzut. Pentru semnalele GNSS, puterea semnalului recepționat este, de obicei, între -127 și -25 dB în raport cu un miliwatt (dBm), în timp ce SNR este, de obicei, între 10 și 20 dB. Acest semnal fragil va fi atenuat din cauza pierderilor din cablul dintre antenă și front-end-ul receptorului și, de asemenea, SNR-ul său va fi degradat de zgomotul termic inevitabil și de alte tipuri de zgomot din cablul de transmisie.

Din aceste motive, 1-2309646-1 încorporează un LNA ca o altă caracteristică pentru cea de-a treia antenă GNSS doar cu recepție. LNA oferă un câștig de 42 dB pentru semnalele GNSS, astfel sporind semnificativ puterea semnalului recepționat. Pentru a simplifica utilizarea LNA, acesta este alimentat (de la 3 până la 5 volți c.c., la nu mai mult de 20 miliamperi (mA)) prin intermediul cablului coaxial al semnalului RF amplificat, folosind o tehnică de suprapunere bine stabilită.

Puterea c.c. este trimisă pe cablul dintre unitatea de recepție și LNB (Figura 6). Puterea c.c. pentru LNA (V1) este blocată, pentru a nu ajunge la unitatea radio principală (front-end), prin intermediul unor mici condensatoare în serie (C1 și C2). Aceste condensatoare permit semnalului RF amplificat de la antenă (ANT1) să treacă la unitatea radio principală (OUT). În același timp, semnalul de radiofrecvență amplificat este împiedicat să se întoarcă la sursa de alimentare V1 de către inductoarele în serie (bobine de reactanță) L1 și L2. În acest fel, același cablu coaxial de interconectare poate fi utilizat atât pentru alimentarea cu curent continuu a LNA, cât și pentru RF amplificat de la LNA la unitatea radio principală.

Figura 6: alimentarea cu c.c. către antena LNA poate fi suprapusă pe cablul care transportă ieșirea antenei/LNA folosind un aranjament inteligent de inductoare și condensatoare care separă și izolează puterea c.c. și semnalul RF la fiecare capăt. (Sursa imaginii: Electronics Stack Exchange)

Realizarea conexiunii fizice

Orice antenă sau ansamblu de elemente de antenă trebuie să dispună de o modalitate fiabilă, convenabilă și sigură din punct de vedere electric și mecanic pentru a fi conectată și deconectată de la front-end-ul radio pe care îl deservește. În plus, ansamblul complet al antenei trebuie să fie protejat de mediul înconjurător și să fie ușor de montat, cu un impact minim asupra suprafeței de montare.

Pentru a îndeplini aceste obiective, fiecare bandă a dispozitivelor 1-2309605-1 cu două benzi și 1-2309646-1 cu trei benzi este echipată cu un cablu coaxial RG-174 de 3 metri, care se termină cu o fișă SMA standard (Figura 7). Prin urmare, conectarea sau deconectarea uneia sau mai multor antene este simplă și poate fi efectuată cu ușurință în fabrică, în timpul asamblării sistemului, sau pe teren, ca o completare.

Figura 7: fiecare antenă din cadrul 1-2309605-1 și 1-2309646-1 are propriul cablu coaxial RG-174 cu terminație cu fișă SMA pentru a simplifica instalarea, atașarea, testarea și dezasamblarea, dacă este nevoie. (Sursa imaginii: TE Connectivity)

În plus, fixarea modulului pentru antele multiple pe suprafața sistemului este facilitată prin utilizarea unei singure tije de montare interne de 18 mm, precum și a unei plăci adezive acrilice în jurul marginii inferioare a carcasei antenei. Fixarea antenei este o operațiune rapidă care nu lasă niciun element de feronerie expus care să ruginească, să se slăbească sau să fie strâns incorect.

Carcasa acestor antene este optimizată pentru aplicații mobile, de mare viteză. Unitatea aerodinamică are o lățime de doar 45 mm și o lungime de 150 mm, cu margini rotunjite (asemănătoare cu „aripioara de rechin” de pe acoperișul automobilelor) pentru a minimiza coeficientul de rezistență la înaintare și rezistența la vânt. În plus, materialul stabilizat cu UV al carcasei garantează că expunerea la lumina soarelui nu va slăbi carcasa în timp.

Concluzie

Conectivitatea wireless mobilă, de mare viteză și pentru benzi multiple pentru transporturi necesită un ansamblu de antene care să poată îndeplini obiective electrice, de mediu și mecanice exigente. Modulele cu două și trei antene de la TE Connectivity oferă antene de bandă joasă, de bandă înaltă și antene opționale de bandă GNSS, împreună cu un LNA intern pentru cele din urmă. Aceste unități sunt echipate cu cabluri coaxiale și conectori individuali pentru fiecare antenă și au un aranjament simplu de montare pe suprafață sau pe panou pentru a facilita instalarea și a asigura o rezistență critică la condițiile de mediu.

Conținut asociat

1. TE Connectivity, „Produse pentru antene ”
2. DigiKey, „Dincolo de fire: Antenele evoluează și se adaptează pentru a îndeplini cerințele exigente ale tehnologiei wireless”
3. DigiKey, „De ce un LNA bun este cheia pentru un front-end de antenă viabil”