Gebruik robuuste multibandantennes om de mobiele connectiviteitsuitdaging op te lossen

Naast smartphones en Internet of Things (IoT)-apparaten zijn transporttoepassingen, waaronder spoorwegen, vrachtwagens en het traceren van bedrijfsmiddelen, een andere belangrijke drijfveer voor mobiele draadloze connectiviteit. Deze toepassingen stellen een unieke reeks belangrijke eisen aan de systeemantenne, zoals trillingen, schokken, extreme temperaturen, regen, vochtigheid, en de noodzaak om over grote bandbreedten en zelfs meerdere banden te werken, en dat alles met constante prestaties.

Hoewel het mogelijk is een geschikte antenne te ontwerpen en te bouwen, is het in bijna alle uitdagende toepassingen het meest zinvol een standaard, goed ontworpen, goed gebouwde, volledig gekarakteriseerde, uit de handel verkrijgbare eenheid te gebruiken. Dit vermindert de kosten en de ontwikkelingstijd en verhoogt het vertrouwen in het uiteindelijke ontwerp.

In dit artikel wordt ingegaan op de vraagstukken in verband met het ontwerp van transportantennes. Vervolgens worden twee multibandantennes van TE Connectivity voorgesteld die zijn ontworpen voor montage op het oppervlak van een behuizing, met inbegrip van een eenvoudige "doos" en eventueel een open rijdend voertuig.

Toepassingen sturen de uitvoering

De antenne is de vitale overbrenger tussen een elektronische schakeling en elektromagnetische (EM) velden in de vrije ruimte, en is dus vaak het meest blootgestelde element van het ontwerp. Toch moet hij de gewenste elektrische en RF-prestaties leveren ondanks zware omgevingsomstandigheden, met een vormfactor die compatibel is met het algemene systeemontwerp.

Voor vrachtsystemen en in het bijzonder voor hogesnelheidspassagiersvervoer moet het ook gemakkelijk kunnen worden geïntegreerd in een aërodynamische behuizing die zowel een minimale windweerstand biedt als beschermd kan worden tegen zware omgevingsomstandigheden (Afbeelding 1). Soortgelijke beperkingen gelden voor het volgen van goederen waarbij de antenne moet worden blootgesteld voor de ontvangst van GNSS-signalen (Global Navigation Satellite System).

Afbeelding 1: Mobiele connectiviteit met gebruikmaking van diverse normen en banden is nu een verwachting op mobiele, snelle installaties zoals treinen, waarbij uitdagingen ontstaan in verband met windbestendigheid en robuustheid van de omgeving. (Bron afbeelding: TE connectiviteit)

De optimale antenne is een zorgvuldige combinatie van toepassingsspecifieke kenmerken, waaronder het gewenste stralingspatroon, de juiste impedantieverhouding, een lage VSWR (Voltage Standing Wave Ratio), mechanische integriteit, geschiktheid voor de behuizing en gemakkelijke elektrische aansluitingen. In veel gevallen is het ook nodig het signaalpad te verbeteren en de signaal/ruisverhouding (SNR) aan de voorzijde te maximaliseren door gebruik te maken van een actieve antenne met een geïntegreerde ruisarme versterker (LNA).

Zoals bij alle componenten, zijn er enkele parameters van het hoogste niveau die worden gebruikt om bijna alle antenneontwerpen en -installaties te karakteriseren, en andere die in een bepaalde situatie meer of minder kritisch kunnen zijn. Voor antennes zijn stralingspatronen en prestaties over de gespecificeerde band belangrijke overwegingen.

Toepassing van antennebeginselen

De oriëntatie van antennes die worden gebruikt voor het transport en het volgen van goederen is een uitdaging, omdat deze willekeurig is en verandert, zodat het belangrijk is dat zij een consistent, omnidirectioneel patroon hebben voor het bovenaanzicht en het zijaanzicht over de gehele gespecificeerde band.

De TE Connectivity 1-2309605-1 M2M MiMo LTE dubbele antenne is bijvoorbeeld ontworpen voor zowel de 698 tot 960 megahertz (MHz) als de 1710 tot 3800 MHz banden en is gericht op 2G, 3G, 4G, cellulaire, GSM, en LTE toepassingen (Afbeelding 2). Eén enkele antenne kan doeltreffend zijn voor deze lijst van normen omdat zij agnostisch is ten aanzien van het specifieke signaalformaat dat zij doorgeeft of de norm die zij ondersteunt; het ontwerp ervan wordt hoofdzakelijk bepaald door frequentie, bandbreedte en vermogen.

Afbeelding 2: De TE Connectivity 1-2309605-1 is een enkele module die bestaat uit twee onafhankelijke antennes, de ene voor 698 tot 960 MHz-werking en de andere voor 1710 tot 3800 MHz-werking. (Bron afbeelding: TE connectiviteit)

Merk op dat een "dual" antenne niet hetzelfde is als een "dual-band" antenne. Een dual antenne, zoals de 1-2309605-1, heeft twee onafhankelijke antennes in een enkele behuizing en elk een eigen voeding; een dualband-eenheid is een enkele antenne met één voeding, ontworpen om twee (of meer) banden te ondersteunen.

Wanneer men de antenne van de 1-2309605-1 voor de lage bandbreedte bekijkt, blijkt dat het stralingspatroon voor zowel de boven- als de zijoriëntatie uniform is over de hele bandbreedte, van de lage kant bij ongeveer 700 MHz, tot de hoge frequenties, bij ongeveer 900 MHz (Afbeelding 3).

Afbeelding 3: De zijwaartse (links) en bovenste (rechts) versterkingsplots van de 1-2309605-1 bij 700, 800, en 900 MHz (respectievelijk bovenste rij, middelste rij, onderste rij) vertonen een tamelijk uniform stralingspatroon. (Bronmateriaal afbeelding: TE Connectivity)

Bij 700 MHz (het laagste punt van de frequentieband) bedraagt de versterking in decibels ten opzichte van een isotrope antenne (dBi) - een standaard metriek die de richtingsgevoeligheid van de antenne aangeeft - slechts 1,5 dBi, hetgeen een tamelijk uniform stralingspatroon vertegenwoordigt. Deze uniformiteit en gelijkmatigheid dragen bij tot consistente prestaties, ongeacht de oriëntatie van de antenne. Verder is het stralingspatroon voor het hogere frequentiebereik van 900 MHz ook vrij gelijkmatig met een versterking van slechts 4,5 dBi.

Een andere belangrijke antenneparameter is de VSWR, die formeel wordt gedefinieerd als de verhouding tussen de maximale en minimale spanning, of de verhouding tussen uitgezonden en gereflecteerde staande spanningsgolven op een verliesvrije transmissielijn. In een ideaal scenario zou de VSWR 1:1 zijn. Hoewel dit vaak moeilijk te bereiken is, is het gewoonlijk aanvaardbaar te werken met een VSWR in de lage enkele cijfers.

Voor de 1-2309605-1 M2M MiMo LTE dubbele antenne, die tot 20 watt zendvermogen aankan, bedraagt de maximale VSWR bij meting met 3 meter (m) RG174 kabel ongeveer 3:1 aan één uiteinde, en dichter bij 1,5:1 over het grootste deel van de werkingsbanden (Afbeelding 4). In het algemeen is dit laag genoeg voor veel van de beoogde toepassingen.

Afbeelding 4: De VSWR (verticale as) voor de 1-2309605-1 M2M MiMo LTE dual antenne zoals gemeten met 3 m RG174 kabel toont een lage waarde over het gehele actieve frequentiebereik (x-as). (Bron afbeelding: TE connectiviteit)

In Afbeelding 4 is groen het element met de lagere frequentie #1, rood het element met de hogere frequentie #2, en zwart is voor elementen #1 en #2 in de vrije ruimte, terwijl blauw is voor elementen #1 en #2 op een grondvlak van 400 × 400 millimeter (mm).

Gecombineerde antennes

Het is mogelijk om twee of meer afzonderlijke antennes naast elkaar te plaatsen om meerdere banden te bestrijken. Dit leidt echter tot verschillende potentiële problemen. Ten eerste is er de voor de hand liggende kwestie van de ruimte en de montagematerialen die nodig zijn op een paneel of ander oppervlak, alsmede de daarmee gepaard gaande installatiekosten. Ten tweede bestaat er bezorgdheid over de EM-interactie tussen antennes, die van invloed zal zijn op hun patronen en prestaties; dit legt beperkingen op aan de manier waarop zij ten opzichte van elkaar kunnen worden geplaatst. Deze interactie wordt gemeten als antenne-isolatie, die bepaalt in welke mate een antenne straling van een andere antenne opvangt.

De oplossing voor dit dilemma is het gebruik van een enkele antenne-eenheid die meerdere antennes in één behuizing of omhulsel combineert. Mechanisch gezien vermindert dit de totale omvang, vereenvoudigt het de installatie en het leggen van antennekabels en zorgt het voor een gestroomlijnd uiterlijk.

Elektrisch betekent dit dat de isolatie tussen de antennes van tevoren kan worden gemeten en gespecificeerd, waardoor de bezorgdheid over onverwachte of onvoorziene interactie tot een minimum wordt beperkt. Voor de 1-2309605-1 M2M MiMo LTE dubbele antenne bedraagt de isolatie ten minste 15 dB, toenemend naar de middelpunten van beide banden die de eenheid bedient (Afbeelding 5).

Figuur 5: De isolatie (y-as, dB) tussen de twee antennes van de 2309605-1 M2M MiMo LTE-dubbele antennemodule bedraagt 15 dB of beter, gemeten als functie van de frequentie (x-as, MHz). (Bron afbeelding: TE connectiviteit)

Een actieve ontvangst-antenne functie

Naast de twee banden die door de 1-2309605-1 dual antenne worden bestreken, moeten veel toepassingen, zoals het volgen van goederen, ook signalen ontvangen van GPS (VS), Galileo (Europa) en Beidou (China) GNSS-systemen voor informatie over positie of timing. Om deze taak te vereenvoudigen en de noodzaak van een andere externe discrete antenne te vermijden, biedt TE de 1-2309646-1. Dit voegt een derde, alleen-ontvangst antenne voor GNSS-signalen tussen 1562 - 1612 MHz toe aan de twee antennes van de eenheid met twee antennes.

De noodzaak om GNSS-signalen te ontvangen vormt echter een extra uitdaging voor de systeemontwerper, die teruggaat op de basis van de zend- versus ontvangstfuncties. Bij gebruik voor zenden bevinden de antenne en de voedingslijn zich in een deterministische situatie. Zij nemen het bekende, gecontroleerde, goed gedefinieerde signaal van de vermogensversterker (PA) van de zender en stralen het uit. Er is weinig bezorgdheid over interne ruis op dat signaal, in-band interferentie, of out-of-band signalen tussen de PA en de antenne.

Door het wederkerigheidsbeginsel dat voor alle antennes geldt, kan dezelfde fysieke antenne die voor het zenden wordt gebruikt, ook voor het ontvangen worden gebruikt. De bedrijfsomstandigheden voor ontvangst zijn echter heel anders dan voor zenden. Aangezien de antenne een signaal met onbekenden probeert op te vangen in aanwezigheid van in-band en zelfs out-of-band interferentie en ruis, is het gewenste ontvangen signaal niet deterministisch, aangezien het vele willekeurige kenmerken heeft.

Bovendien is de sterkte van het ontvangen signaal laag (in de orde van microvolt tot enkele millivolts) en is ook de SNR laag. Voor GNSS-signalen ligt het ontvangen signaalvermogen gewoonlijk tussen -127 en -25 dB ten opzichte van één milliwatt (dBm), terwijl de SNR gewoonlijk tussen 10 en 20 dB ligt. Dit kwetsbare signaal zal worden verzwakt door verliezen in de kabel tussen de antenne en het front-end van de ontvanger, en ook zal de SNR ervan worden verlaagd door onvermijdelijke thermische en andere ruis in de transmissiekabel.

Om deze redenen is in de 1-2309646-1 een LNA geïntegreerd als extra voorziening voor de derde, alleen-ontvangst GNSS-antenne. De LNA biedt 42 dB versterking voor de GNSS-signalen, waardoor de ontvangen signaalsterkte aanzienlijk wordt verhoogd. Om het gebruik van de LNA te vereenvoudigen, krijgt deze zijn voeding (3 tot 5 volt gelijkstroom, bij niet meer dan 20 milliampère (mA)) via de coaxiale kabel van het versterkte RF-signaal met behulp van een beproefde superimpositioneringstechniek.

Gelijkstroom wordt over de kabel tussen de ontvangereenheid en de LNB gestuurd (Afbeelding 6). De gelijkstroom voor de LNA (V1) wordt door kleine seriecondensatoren (C1 en C2) tegengehouden zodat deze de radio (front-end) niet kan bereiken. Deze condensatoren laten het versterkte RF-signaal van de antenne (ANT1) door naar de radiohead-unit (OUT). Tegelijkertijd wordt verhinderd dat het versterkte RF-signaal terugstroomt naar de voeding V1 door seriespoelen (smoorspoelen) L1 en L2. Op deze manier kunnen de gelijkstroom naar de LNA en het versterkte RF van de LNA naar de radiohoofdunit gebruik maken van dezelfde coaxiale verbindingskabel.

Afbeelding 6: De gelijkstroom naar de antenne LNA kan worden gesuperponeerd op de kabel die de antenne/LNA-uitgang draagt, met behulp van een slimme opstelling van spoelen en condensators die de gelijkstroom en het RF-signaal aan elk uiteinde scheiden en isoleren. (Bron afbeelding: Electronics Stack Exchange)

De fysieke verbinding maken

Elke antenne of combinatie van antenne-elementen moet op een betrouwbare, gemakkelijke, en elektrisch en mechanisch veilige manier kunnen worden aangesloten op en losgekoppeld van het radio-front-end dat zij bedienen. Voorts moet de volledige antenne tegen de omgeving worden beschermd en gemakkelijk kunnen worden gemonteerd met een minimale impact op het montageoppervlak.

Om aan deze doelstellingen te voldoen is elke band van de 1-2309605-1 met twee banden en de 1-2309646-1 met drie banden voorzien van een 3 meter lange RG-174 coaxkabel, die is afgesloten met een standaard SMA-plug (Afbeelding 7). Het aansluiten of loskoppelen van een of meer antennes is dan ook een fluitje van een cent en kan gemakkelijk in de fabriek worden gedaan tijdens de assemblage van het systeem, of in het veld als extra toevoeging.

Afbeelding 7: Elke antenne in de 1-2309605-1 en 1-2309646-1 heeft zijn eigen RG-174 coaxkabel met SMA-plugaansluiting om de installatie, bevestiging, test en demontage indien nodig te vereenvoudigen. (Bron afbeelding: TE connectiviteit)

Verder wordt de bevestiging van de multi-antennemodule aan het oppervlak van het systeem vergemakkelijkt door het gebruik van een enkele interne bevestigingsstaaf van 18 mm, plus een acryl kleefpad rond de onderrand van de antennebehuizing. De antenne kan snel worden bevestigd zonder dat er roestvorming, losraken of verkeerde aandraaimomenten ontstaan.

De behuizing van deze antennes is geoptimaliseerd voor mobiele, snelle bewegingstoepassingen. De gestroomlijnde eenheid is slechts 45 mm breed en 150 mm lang met afgeronde randen (vergelijkbaar met de "haaienvin" op het dak van auto's) om de luchtweerstand en de weerstand te minimaliseren. Bovendien zorgt het UV-gestabiliseerde materiaal van de behuizing ervoor dat blootstelling aan zonlicht de behuizing na verloop van tijd niet verzwakt.

Conclusie

Mobiele, hoge-snelheid, multiband draadloze connectiviteit voor transport vereist een antenneassemblage die kan voldoen aan veeleisende elektrische, omgevings- en mechanische doelstellingen. Twee- en drie-antennemodules van TE Connectivity bieden lage-band, hoge-band en optionele GNSS-bandantennes, samen met een interne LNA voor de laatste. Deze eenheden zijn uitgerust met afzonderlijke coaxiale kabels en connectoren voor elke antenne, plus een eenvoudige opbouw- of paneelmontage om de installatie te vergemakkelijken en de nodige omgevingsbestendigheid te bieden.

Gerelateerde inhoud

1. TE Connectivity, "antenneproducten "
2. DigiKey, "Voorbij de draden:Antennes evolueren en passen zich aan om te voldoen aan veeleisende draadloze vereisten"
3. DigiKey, "Waarom een goede LNA de sleutel is tot een levensvatbaar antenne front-end"