Poleg uporabe v zelo prepoznavnih pametnih telefonih za potrošnike se brezžične povezave na osnovi omrežja 5G osredotočajo na različne vgrajene aplikacije, kot so internet stvari (IoT), povezave med stroji (M2M), pametna mreža, prodajni avtomati, prehodi, usmerjevalniki, varnost in povezljivost za oddaljeno spremljanje.
Digi-Key Electronics
Avtor: Rolf Horn
2022-307-18
Vendar se ta prehod na omrežje 5G ne bo zgodil čez noč. To ustvarja potrebo po antenah na sprednjem delu brezžične komunikacijske povezave, ki lahko oskrbujejo povezave 5G, pa tudi starejše povezave 2G, 3G ter druge povezave, ki niso 5G in bodo ostale v uporabi še več let, tudi ko se bo omrežje 5G razširilo.
Tako morajo inženirji izdelke razvijati tako za frekvenčne pasove, ki podpirajo standarde 5G, kot ostale. Tudi če je notranji vhodni RF ojačevalnik ali močnostni ojačevalnik za vsak pas različen, je koristno, da je na voljo zgolj ena širokopasovna antena, ki oskrbuje tako omrežje 5G kot starejše frekvenčne pasove.
Ta članek obravnava širokopasovne antene, ki služijo tako nižjemu spektru 5G kot tudi starejšim pasovom, kot jih predstavljajo nazorne enote podjetja Abracon LLC. Članek prikazuje, kako lahko uporaba te vrste anten – bodisi kot vidnih zunanjih enot bodisi kot notranjih vgrajenih enot – olajša načrtovanje, poenostavi kosovnico in olajša namestitev nadgradnje na 5G, če je potrebna.
Začnite z reguliranimi frekvenčnimi pasovi
Antene so zadnji element poti RF oddajnega signala in prvi element poti komplementarnega sprejemnika. Funkcija antene je biti pretvornik med svetom tokokroga toka in napetosti ter svetom radijskih frekvenc oddajane energije in elektromagnetnih polj.
Pri izbiri antene za ciljno aplikacijo je treba upoštevati, da antena deluje ne glede na vrsto modulacije ali industrijski standard, za katerega se uporablja. Nobeden od parametrov, ki se uporabljajo pri izbiri antene – kot so središčna frekvenca, pasovna širina, dobitek, nazivna moč ali fizična velikost – ne vpliva na to, ali se antena uporablja za signale amplitudne, frekvenčne oziroma fazne modulacije (AM, FM, PM), signale 3G, 4G, 5G ali celo lastniške formate signalov.
Seveda so zasnove sistemov za nastajajoče aplikacije, ki podpirajo standarde 5G, deležne precejšnje pozornosti pri načrtovanju, še posebej za frekvenčne pasove 5G pod 6 gigahertzov (GHz), kjer se nahaja večina dejavnosti 5G. Pomembno je razlikovati med brezžičnim standardom, ki ga sistem podpira, in uporabljeno frekvenco ter spektrom, ki določata izbiro antene.
Novi 5G standardi uporabljajo prej nedostopne segmente spektra, hkrati pa izkoriščajo dele spektra, ki so že v uporabi tako, da vključujejo modulacijske sheme višje ravni za večji pretok. Čeprav se lahko podpora panoge in operaterjev za obstoječi standard postopoma ukinja (ali »ugasne«), na primer omrežje 3G leta 2022, se bodo nekateri deli spektra, ki jih uporablja omrežje 3G, še vedno uporabljali za omrežje 4G in celo 5G (slika 1).
To pomeni, da so lahko antene, ki podpirajo frekvenčne pasove 3G ali 4G, še vedno uporabne tudi za omrežje 5G in obratno. Standard je lahko ukinjen, njegova antena pa ne, zato je možna združljivost antene za naprej in nazaj. V vsakem od teh primerov je ponovna uporaba antene, ki podpira več standardov in frekvenčnih pasov, praktična ter pogosto zaželena rešitev.
Drugi pomembni standardi v radiofrekvenčnem spektru od 600 megahertzov (MHz) do 6 GHz vključujejo:
- Pas Citizens Broadband Radio Service (CBRS), rahlo reguliran 150 MHz širok segment v območju od 3550 do 3700 MHz (od 3,5 do 3,7 GHz). V ZDA je ameriška zvezna komisija za komunikacije (Federal Communications Commission – FCC) to storitev določila za souporabo med tremi stopnjami uporabnikov: uveljavljenimi uporabniki, uporabniki z licenco za prednostni dostop (PAL) in uporabniki s splošnim pooblaščenim dostopom (GAA).
- Ozkopasovni IoT (NB-IoT), brezžična tehnologija celičnega razreda, ki uporablja ortogonalno frekvenčno multipleksiranje (OFDM) v okviru omrežja 3G. Gre za pobudo organizacije Third Generation Partnership
- Project (3GPP) – organizacije, ki stoji za standardizacijo celičnih sistemov – za reševanje zahtev naprav z zelo nizko hitrostjo prenosa podatkov, ki se morajo povezati z mobilnimi omrežji in se pogosto napajajo z baterijami.
Opomba o izrazih »širokopasovno« in »večpasovno«, saj lahko pride do zmede in dvoumnosti. »Širokopasovna« je antena s pasovno širino, ki je znaten delež njene središčne frekvence. Čeprav uradne opredelitve tega števila ni, neuradno običajno pomeni pasovno širino, ki znaša najmanj od 20 do 30 odstotkov središčne frekvence. Nasprotno pa je »večpasovna« antena antena, ki je zasnovana tako, da podpira dva ali več frekvenčnih pasov, kot določajo regulativni standardi. Ti pasovi so lahko blizu drug drugega ali med seboj zelo oddaljeni.
Skrajni primer večpasovne antene je antena, ki hkrati oddaja AM frekvence (550 do 1550 kilohertzov (kHz)) in FM (88 do 108 MHz). Večpasovna antena je lahko širokopasovna, vendar ne nujno.
Ne glede na število, razmike in pasovne širine, ki jih podpira, ima večpasovna antena samo eno RF povezavo, čeprav lahko vsebuje dve ali več različnih kombiniranih anten. Za razliko od enostavnejše širokopasovne antene je lahko večpasovna antena dejansko zasnovana z namernimi vrzelmi v pokritosti dobitka v svoji pasovni širini, da se čim bolj zmanjša motnje med sosednjimi kanali.
Notranja ali zunanja antena
Standard brezžične povezljivosti, za katerega se antena uporablja, ni vprašanje načrtovanja antene, vseeno pa sta frekvenca in pasovna širina vsekakor dejavnika, zaradi katerih je fizična izvedba antene pomembna odločitev. Eden od glavnih dejavnikov pri načrtovanju je vprašanje, ali uporabiti zunanjo anteno ali anteno, vgrajeno v končni izdelek.
Notranje antene imajo naslednje lastnosti:
- Omogočajo tanjšo enoto brez zunanjih priključkov, ki bi se lahko zlomili ali zatikali.
- Vgrajena antena je vedno priključena in na razpolago.
- Imajo inherentne omejitve glede pokritosti, učinkovitosti, sevalnih vzorcev in drugih meril zmogljivosti.
- Na delovanje vgrajene antene vplivajo bližnja vezja, zato je njena namestitev tesno povezana z velikostjo vezja, postavitvijo, komponentami in splošno razporeditvijo.
- Roka ali telo uporabnika lahko povzroči spremembe vzorca antene, učinkovitosti in zmogljivosti.
V nasprotju s tem imajo zunanje antene naslednje značilnosti:
- Nudijo več možnosti za prilagajanje sevalnih vzorcev, pasovne širine in dobitka, saj imajo več stopenj svobode pri načrtovanju.
- Ni jih treba pritrditi na enoto IoT/RF enoto in jih je mogoče s pomočjo koaksialnega kabla optimalno namestiti z majhno oddaljenostjo.
- Električni vidiki zasnove in pakiranja izdelka nanje vplivajo manj ali sploh ne vplivajo.
- Na voljo so v več slogih in konfiguracijah.
- Za pritrditev potrebujejo priključek ali kabel, kar je lahko vodi do okvare.
Izbira med notranjo in zunanjo anteno običajno temelji na več dejavnikih. Ti vključujejo aplikacijo končnega izdelka in želje uporabnika v primerjavi z zmogljivostjo in tem, ali se bo antena uporabljala v mobilnih ali fiksnih situacijah. Pametni telefon z zunanjo anteno je na primer lahko neroden. Nasprotno pa lahko fiksno vozlišče interneta stvari z zunanjo in morda nekoliko oddaljeno anteno zagotovi boljšo ter bolj enotno povezljivost.
Prednosti večpasovne antene
Večpasovne antene lahko zadovoljijo obstoječe aplikacije, hkrati pa omogočajo, da bo zasnove mogoče v prihodnosti nadgraditi, vključno s povezljivostjo 5G. Toda, zakaj razmišljati o takšni anteni, če so parametri in posebnosti namestitve znani? Obstaja več dobrih razlogov:
Ena sama antena se lahko uporablja za celotno družino izdelkov za različne frekvenčne pasove, s čimer se poenostavita upravljanje zalog in nakup.
Notranja večpasovna antena zagotavlja manjšo enoto, zunanja pa zmanjša število antenskih priključkov na ohišju izdelka.
Večpasovna antena lahko služi napravi IoT, pri kateri je mogoča ali predvidena nadgradnja na nov frekvenčni pas, kot je 5G, bodisi zaradi zmogljivosti bodisi zaradi ukinitve obstoječega frekvenčnega pasu in standarda.
Ena sama zunanja antena za več frekvenčnih pasov zagotavlja enotnost v zvezi s tehnikami namestitve in orodji za namestitev.
Pri kritičnih fiksnih in zlasti mobilnih aplikacijah lahko RF del naprave zagotavlja dvopasovno podporo, kar napravi omogoča dinamično preklapljanje med pasovi za optimalno delovanje na določenem mestu ali v določenem okolju.
Oblikovalci lahko uporabijo eno notranjo večpasovno anteno v nepovezanih napravah, vendar z uporabo svojih izkušenj pridobijo pri modeliranju anten, namestitvi in morebitnih proizvodnih težavah.
Konkretni primeri večpasovnih anten
Kljub širokopasovnemu delovanju večpasovne antene niso omejene na obliko ali vrsto zaključkov, kar ponazarjajo trije primeri.
Antena AEBC1101X-S je 5G/4G/LTE celična paličasta antena, kiv dolžino meri 115 milimetrov (mm) z največjim premerom 19 mm in je zasnovana za delovanje pri od 600 MHz do 6 GHz (slika 2). Opremljena je s standardnim SMA moškim priključkom, ki ga je mogoče obrniti za 90⁰ za neposredno namestitev na ohišje izdelka (lahko se uporablja tudi s podaljševalnim koaksialnim kablom). Na voljo je tudi SMA ženski priključek.
Njeno razmerje stojnega vala (VSWR) in največjidobitek sta dokaj konstantna v celotnem frekvenčnem pasu, čeprav se učinkovitost med spodnjim in zgornjim frekvenčnim območjem spreminja (slika 3).
Sevalni vzorec je po celotnem frekvenčnem pasu dokaj krožen z nekaj majhnimi izboklinami, ki nastajajo pri 3600 MHz in so opaznejše pri 5600 MHz (slika 4).
Ploska antena AECB1102XS-3000S 5G/4G/LTE/NB-IoT/CAT, prav tako za delovanje pri od 600 MHz do 6 GHz, je dolga 115,6 mm in široka 21,7 mm z zelo tankim profilom 5,8 mm (slika 5). Zasnovana je za enostavno in priročno namestitev ob ravno površino z lepilnim trakom.
Njena radiofrekvenčna zmogljivost je podobna kot pri anteni AEBC1101X-S z največjim razmerjem VSWR pod 3,5, vendar je največjidobitek pri 2 decibelih nekoliko manjši glede na izotropni radiator (dBi). Sevalni vzorec je bolj kompleksen tudi v ravninah X-Y in X-Z (slika 6).
Pomembna razlika med antenama AEBC1101X-Sin AECB1102XS-3000S je v razpoložljivih zaključkih. Ploščata enota AECB1102XS-3000S je standardno opremljena z enometrskim LMR-100 koaksialnim kablom (ta nadomešča vrsti kablov RG174 in RG316), ki je zaključen s pogosto uporabljenim moškim SMA priključkom. Vendar je mogoče naročiti skoraj vsako dolžino kabla, poleg SMA konektorja pa so kot standardne možnosti na voljo tudi drugi tipi priključkov, ki zagotavljajo fleksibilnost povezave (slika 7).
Širokopasovna keramična čip antena ACR4006X 600–6000 MHz je majhna antena za SMD velikosti 40 × 6 × 5 mm. Pri delovanju potrebuje zelo majhno vezje za prilagajanje impedance s tuljavo in kondenzatorjem (LC), ki jo sestavljata tuljavaz induktivnostjo 8,2 nanohenrijev (nH) ter kondenzator s kapacitivnostjo 3,9 pikofarada (pF) (oba velikosti 0402), da doseže želeno impedanco 50 ohmov (Ω) (slika 8).
V podatkovnem listu antene ACR4006X je navedeno, da gre za anteno s frekvenco od 600 do 6000 MHz, vendar upoštevajte, da je v grafih učinkovitosti, največjega dobitka in povprečnega dobitka nekaj vrzeli (slika 9). To je namerno, saj je ta večpasovna antena zasnovana in optimizirana za delovanje v treh določenih frekvenčnih pasovih znotraj tega območja: od 600 do 960 MHz, od 1710 do 2690 MHz in od 3300 do 6000 MHz za podporo dodelitev 3G, 4G in 5G ter nekaterih manjših dodelitev spektra.
Ker antena ACR4006X ni namenjena GPS sprejemnikom, njena zmogljivost pri nosilnih frekvencah GPS 1575,42 MHz (nosilna frekvenca L1) in 1227,6 MHz (nosilna frekvenca L2) ni določena.
Sevalni vzorec X-Y antene ACR4006X je prav tako odvisen od frekvence, vendar še vedno ohranja približno krožno obliko v svojem celotnem širokem frekvenčnem pasu, z zgolj nekaj majhnimi padci dobitka pri 90⁰ in 270⁰ pri spodnjem frekvenčnem območju (slika 10).
Ocenjevanje zmogljivosti antene se začne s podatkovnim listom, pogosto mu sledi potrditev z uporabo gluhe sobe in nazadnje testiranje na terenu s končnim izdelkom. Dejavniki, ki vplivajo na dejansko zmogljivost zunanje antene, so ohišje, telo in roke uporabnika pri mobilnih enotah ter lokacija in namestitev antene. To v veliki meri ni povezano s postavitvijo notranjega vezja izdelka.
Nasprotno pa na zmogljivost notranje enote, kot je čip antena ACR4006X, vplivajo bližnje komponente in plošča tiskanega vezja. Zato podjetje Abracon ponuja razvojno ploščo ACR4006X-EVB, ki omogoča lažje inženirsko preizkušanje te čip antene.
Plošča se uporablja skupaj z vektorskim analizatorjem omrežja (VNA). Po začetnem umerjanju konfiguracije – standardni korak pri večini testov VNA – se zmogljivost antene oceni prek umerjenih vrat analizatorja VNA z uporabo SMA priključka na plošči.
Razvojna plošča meri 120 × 45 mm in je natančno dimenzionirana za pravilno namestitev čip antene. Za pravilno delovanje vključuje potrebno prosto kovinsko/ozemljitveno območje okoli antene 45 × 13 mm (slika 11).
Zaključek
Večpasovne antene se uspešno soočajo z izzivi IoT naprav, še posebej tistih, ki morajo zdaj podpirati samo en pas, hkrati pa zagotavljajo lažjo nadgradnjo na novejše standarde, kot je 5G. Prav tako omogočajo, da sistem podpira več pasov za optimizacijo zmogljivosti na območjih, kjer povezljivost ni zagotovljena na enem samem frekvenčnem pasu. Kot je bilo prikazano, notranje antene podjetja Abracon, nameščene na tiskano vezje, omogočajo tanjšo enoto, medtem ko njegove zunanje antene, ki uporabljajo bodisi integralni radiofrekvenčni priključek bodisi koaksialni kabelski priključek, ponujajo prilagodljivost pri namestitvi za optimalno pot signala.
Povezana vsebina:
Abracon, »5G Sub-6 GHz & UWB Antennas«
https://www.digikey.com/en/product-highlight/a/abracon/5g-sub-6ghz-uwb-antennas
Abracon, »5G Sub-6GHz Antennas«
https://www.digikey.com/en/pdf/a/abracon/abracon-5g-sub-6ghz-antennas
Abracon, »Cellular IoT Antenna Solutions«
https://www.digikey.com/en/product-highlight/a/abracon/cellular-iot-antenna-solutions
Abracon, »How to Choose an Antenna«
https://abracon.com/uploads/resources/How-To-Choose-An-Antenna.pdf
Abracon, »How to Choose an Internal Antenna«
https://abracon.com/uploads/resources/How-To-Choose-An-Internal-Antenna.pdf
Abracon, »How to Choose an External Antenna«
https://abracon.com/uploads/resources/How-To-Choose-An-External-Antenna.pdf
Abracon, »Antennas for Autonomous & Connected Automotive Services«
https://abracon.com/uploads/resources/Abracon-Antennas-for-Autonomous-and-Connected-Automotive-Services.pdf
Abracon, »PCB Trace vs. Chip Antenna Design Considerations«
https://abracon.com/uploads/resources/PCB-Trace-vs-Chip-Antenna-PCB-Design-Considerations.pdf
https://www.digikey.com
