Sådan kan du imødekomme både ældre og 5G trådløse IoT-netværk ved hjælp af bredbåndsantenner

Ud over de meget synlige smartphones til forbrugere er 5G-baserede trådløse forbindelser rettet mod forskellige indlejrede applikationer såsom Internet of Things (IoT), maskine-til-maskine-forbindelser (MTM), det intelligente net, salgsautomater, gateways, routere, sikkerhed og fjernovervågningsforbindelser. Overgangen til 5G vil dog ikke ske fra den ene dag til den anden. Dette skaber et behov for antenner i front-end af den trådløse kommunikationsforbindelse, der kan tage højde for 5G, såvel som for gamle 2G-, 3G- og andre ikke-5G-forbindelser, der vil forblive på plads i mange år fremover, selv om 5G udbredes.

Derfor er ingeniører nødt til at designe produkter til andre bånd end dem, der understøtter 5G-standarder. Selv om den interne RF-front-end eller effektforstærker er forskellig for hvert bånd, er der fordele ved at have en enkelt bredbåndsantenne til at betjene både 5G- og ældre bånd.

Denne artikel omhandler bredbåndsantenner, der tjener det lavere 5G-spektrum samt ældre bånd, som illustreret ved hjælp af illustrerende enheder fra Abracon LLC. Artiklen viser, hvordan brugen af denne type antenner - enten som synlige eksterne enheder eller interne indlejrede enheder - kan lette designet, forenkle styklisten (BOM) og lette installationen af en opgradering til 5G, hvis det er nødvendigt.

Start med regulerende bånd

Antennerne er det sidste element i RF-sendesignalvejen og det første i den komplementære modtagervej. Antennen har til opgave at være en transducer mellem kredsløbsverdenen med strøm og spænding og RF-verdenen med udstrålet energi og elektromagnetiske felter.

Når du vælger en antenne til målapplikationen, er det vigtigt at huske på, at antennen fungerer uafhængigt af den modulationstype eller industristandard, som den anvendes til. Ingen af de parametre, der anvendes ved valg af antenne - f.eks. centerfrekvens, båndbredde, forstærkning, effekt eller fysisk størrelse - er afhængige af, om antennen anvendes til amplitude-, frekvens- eller fasemodulation (AM, FM, PM) eller til 3G-, 4G-, 5G- eller endda proprietære signalformater.

Selvfølgelig får systemdesigns til nye applikationer, der understøtter 5G-standarder, en betydelig mængde designopmærksomhed, især for 5G-båndene under 6 gigahertz (GHz), hvor den største 5G-aktivitet finder sted. Det er vigtigt at skelne mellem den trådløse standard, som systemet understøtter, og den frekvens og det anvendte spektrum, som bestemmer antennevalget.

De nye 5G-standarder gør brug af tidligere utilgængelige spektrumssegmenter, samtidig med at de udnytter dele af det allerede anvendte spektrum ved at inkorporere modulationsordninger på højere niveau for at opnå højere gennemløb. Selv om industrien og operatørernes støtte til en eksisterende standard kan udfases (eller "sunsetted"), f.eks. 3G i 2022, vil nogle dele af det spektrum, der blev brugt af 3G, stadig blive brugt til 4G og endda til 5G (figur 1).

Figur 1: Frekvenserne mellem 600 og 6000 MHz understøtter flere standarder såsom 3G, 4G og 5G med en vis overlapning af frekvenserne. (Billedkilde: Abracon LLC)

Det betyder, at antenner, der understøtter 3G- eller 4G-bånd, stadig kan være anvendelige til 5G og omvendt. Standarden kan være udgået, men det er dens antenne ikke, og der er mulighed for fremadrettet/bagudrettet antennekompatibilitet. I hvert af disse tilfælde er genbrug af antenner, der understøtter flere standarder og bånd, en praktisk og ofte ønskelig løsning.

Andre vigtige standarder inden for RF-spektret fra 600 megahertz (MHz) til 6 GHz omfatter:

• Citizens Broadband Radio Service (CBRS), et let reguleret 150 MHz bredt segment i intervallet 3550 MHz til 3700 MHz (3,5 GHz til 3,7 GHz). I USA har Federal Communications Commission (FCC) udpeget denne tjeneste til deling mellem tre niveauer af brugere: etablerede brugere, PAL-brugere (priority access license) og GAA-brugere (general authorized access).
• LTE-M er en forkortelse for LTE Cat-M1 (ofte kaldet CAT M) eller Long-Term Evolution (4G), kategori M1. Denne teknologi gør det muligt for batteridrevne IoT-enheder med lav arbejdscyklus at oprette direkte forbindelse til et 4G-netværk uden en gateway.
• Narrowband-IoT (NB-IoT) er en trådløs teknologi til mobilnetværk, der anvender ortogonal frekvensmultiplexing (OFDM) inden for 3G-paraplyen. Det er et initiativ fra Third Generation Partnership Project (3GPP) - organisationen bag standardiseringen af mobilsystemer - til at imødekomme behovene hos enheder med meget lav datahastighed, der skal oprette forbindelse til mobilnetværk, og som også ofte drives af batterier.

En bemærkning om bredbånds- og flerbåndsterminologi, da der er mulighed for forvirring og tvetydighed. "Bredbånd" henviser til en antenne med en båndbredde, der udgør en betydelig del af dens centerfrekvens. Der findes ingen formel definition af dette tal, men uformelt betyder det normalt en båndbredde, der er mindst 20-30 % af centerfrekvensen. I modsætning hertil betyder "flerbånd" en antenne, der er konstrueret til at understøtte to eller flere bånd som defineret i lovbestemte standarder; disse bånd kan være tæt adskilte eller vidt adskilte.

Et ekstremt eksempel på en flerbåndsantenne er en antenne, der samtidig fungerer til AM- (550 til 1550 kilohertz (kHz)) og FM- (88 til 108 MHz) radio- og tv-antenne. En flerbåndsantenne kan være en bredbåndsantenne, men er ikke nødvendigvis en bredbåndsantenne.

Uanset antal, afstand og båndbredder har en flerbåndsantenne en enkelt RF-forbindelse, selv om den internt kan bestå af to eller flere forskellige kombinerede antenner. I modsætning til en enklere bredbåndsantenne kan en flerbåndsantenne faktisk være konstrueret med bevidste huller i forstærkningsdækningen over hele båndbredden for at minimere interferens mellem kanalerne.

Intern eller ekstern antenne

Den trådløse forbindelsesstandard, som antennen anvendes til, er ikke et spørgsmål om antennedesign, men frekvens og båndbredde er helt klart overvejelser, som gør den fysiske implementering af antennen til en vigtig beslutning. En vigtig designovervejelse er, om der skal bruges en ekstern antenne eller en antenne, der er indbygget i slutproduktet.

Interne antenner har disse egenskaber:

• De giver en slankere pakke uden eksterne vedhæftede dele, der kan gå i stykker eller hænge fast
• Den indbyggede antenne er altid tilsluttet og tilgængelig
• De har iboende begrænsninger med hensyn til dækning, effektivitet, strålingsmønstre og andre kriterier for ydeevne.
• Den indbyggede antennes ydeevne vil blive påvirket af de tilstødende kredsløb, så dens placering er tæt forbundet med printkortets størrelse, layout, komponenter og overordnede arrangement.
• Brugerens hånd eller krop kan medføre ændringer i antennemønster, effektivitet og ydeevne

I modsætning hertil har eksterne antenner disse egenskaber:

• De giver flere muligheder for at skræddersy strålingsmønstre, båndbredde og forstærkning, da de har flere grader af designfrihed.
• De behøver ikke at være fastgjort til IoT/RF-enheden og kan placeres optimalt på en beskeden afstand ved hjælp af et koaksialkabel.
• De er mindre eller slet ikke berørt af de elektriske aspekter af produktdesign og emballage.
• De fås i flere forskellige stilarter og konfigurationer
• De kræver et stik eller kabel til fastgørelse, hvilket kan være et fejlpunkt

Valget mellem en ekstern og en intern antenne afgøres normalt på grundlag af flere faktorer. Disse omfatter slutproduktets anvendelse og brugerens præferencer, der skal afvejes mod ydeevnen, og om antennen skal bruges i en mobil eller fast situation. En smartphone med en ekstern antenne kan f.eks. anses for at være akavet. I modsætning hertil kan en fast placeret IoT-node med en ekstern og måske lidt fjerntliggende antenne give bedre og mere konsekvente forbindelser.

Fordele ved flerbåndsantenner

Flerbåndsantenner kan opfylde eksisterende applikationer og samtidig fremtidssikre design til opgraderinger, herunder 5G-forbindelse. Men hvorfor overveje en sådan antenne, hvis installationsparametrene og specifikationerne er kendt? Det er der flere gode grunde til:

• En enkelt antenne kan bruges på tværs af en familie af produkter, der er rettet mod forskellige bånd, hvilket forenkler lagerstyring og indkøb
• En intern flerbåndsantenne resulterer i en mindre pakke, mens en ekstern antenne reducerer antallet af antennestik på produktkabinettet.
• Flerbåndsantennen kan betjene en IoT-enhed, hvor en opgradering til et nyt bånd som f.eks. 5G er mulig eller forventet, enten af hensyn til ydeevnen eller af hensyn til udløb af det eksisterende bånd og den eksisterende standard.
• En enkelt ekstern antenne til flere bånd giver fælles regler med hensyn til installationsteknikker og værktøjer
• Til kritiske faste og især mobile anvendelser kan enhedens RF-sektion have dobbeltbåndsunderstøttelse, så enheden dynamisk kan skifte mellem bånd for at opnå optimal ydelse i en given lokalitet eller indstilling.
• Designere kan bruge en enkelt intern flerbåndsantenne i enheder uden relation til hinanden, men vinder ved at udnytte deres erfaring med antennemodellering, placering og mulige produktionsproblemer

Eksempler på flerbåndsantenner i den virkelige verden

På trods af deres bredbåndspræstationer er flerbåndsantenner ikke begrænset i formfaktor eller termineringstype, som tre eksempler illustrerer.

AEBC110101X-S er en 5G/4G/LTE-celleantenne med en længde på 115 millimeter (mm) og en maksimal diameter på 19 mm, der er designet til drift fra 600 MHz til 6 GHz (figur 2). Den leveres med et standard SMA-stik med han-stik, der kan drejes 90° til direkte montering på produktkabinettet (det kan også bruges med et forlænget koaksialkabel); et SMA-stik med omvendt polaritet er også tilgængeligt.

Figur 2: AEBC110101X-S 5G/4G/LTE-celleantennen er designet til drift fra 600 MHz til 6 GHz og leveres med et integreret SMA-koaksialstik med 90° rotation. (Billedkilde: Abracon LLC)

Dens VSWR-forhold (Voltage Standing Wave Ratio) og peak gain-ydelse er ret konstante over hele båndet, selv om der er et skift i effektivitet mellem det lavere og det højere frekvensområde (figur 3).

Figur 3: AEBC110101X-S 5G/4G/LTE-cellepiskeantennen har beskedne ændringer i ydeevnen mellem de lave (600 til 960 MHz) og høje (1400 til 6000 MHz) områder. (Billedkilde: Abracon LLC)

Strålingsmønsteret er ret cirkulært over hele båndet med nogle små lobes ved 3600 MHz, som bliver lidt mere tydelige ved 5600 MHz (figur 4).

Figur 4: X-Y-strålingsmønsteret for AEBC1101X-S ændrer sig mellem 3600 og 5600 MHz, og der opstår nogle lobes. (Billedkilde: Abracon LLC)

AECB1102XS-3000S 5G/4G/LTE/NB-IoT/CAT-bladantennen, også til drift fra 600 MHz til 6 GHz, måler 115,6 mm i længden × 21,7 mm i bredden og har en meget tynd profil på kun 5,8 mm (figur 5). Den er designet til nem og bekvem montering mod en plan overflade med tape.

Figur 5: AECB1102XS-3000S 5G/4G/LTE/NBIOT/CAT-bladantenne, også til 600 MHz til 6 GHz, er en lavprofilantenne, der er designet til praktisk montering på en flad overflade ved hjælp af klæbebånd. (Billedkilde: Abracon LLC)

Dens RF-ydelse svarer til AEBC110101X-S med en maksimal VSWR på under 3,5, men den maksimale forstærkning er lidt lavere på 2 decibel i forhold til en isotropisk radiator (dBi). Strålingsmønsteret i X-Y- og X-Z-planet er også mere komplekst (figur 6).

Figur 6: X-Z- og Y-Z-strålingsmønstrene for AECB1102XS-3000S-bladantennen viser et mere komplekst sæt lober end piskeantennen. (Billedkilde: Abracon LLC)

En bemærkelsesværdig forskel mellem AEBC1101X-S og AECB1102XS-3000S er i de tilgængelige termineringer. AECB1102XS-3000S bladet leveres som standard med et 1 meter (m) LMR-100 koaksialkabel (dette erstatter RG174 og RG316 kabeltyperne) afsluttet med det almindeligt anvendte SMA-hanstik. Der kan dog bestilles næsten alle kabellængder, og der tilbydes også andre typer stik end SMA som standardmuligheder for at sikre fleksibilitet i tilslutningen (figur 7).

Figur 7: Standardkoaksialkablet til AECB1102XS-3000S er afsluttet med et SMA (M)-stik, men der findes mange andre valgmuligheder for stik. (Billedkilde: Abracon LLC)

ACR4006X 600 til 6000 MHz bredbånds keramisk chipantenne er en overflademonteret enhed, der kun måler 40 × 6 × 5 mm i højden. I drift kræver det et lillebitte LC-impedanstilpasningsnetværk bestående af en 8,2 nanohenry (nH)-induktor og en 3,9 picofarad (pF)-kondensator (hver i 0402-størrelse) for at opnå den ønskede 50 ohm (Ω)-impedans (figur 8).

Figur 8: ACR4006X 600 til 6000 MHz bredbåndsantenne med keramisk chip har et fodaftryk på kun 40 × 6 mm og kræver kun to små passive komponenter til 50 Ω impedanstilpasning. (Billedkilde: Abracon LLC)

ACR4006X-databladet angiver, at det er en enhed til 600 til 6000 MHz, men bemærk, at graferne for effektivitet, spidsforstærkning og gennemsnitlig forstærkning har nogle huller (figur 9). Dette er bevidst, da denne flerbåndsantenne er designet og optimeret til at yde i tre specifikke bånd inden for dette område: 600 til 960 MHz, 1710 til 2690 MHz og 3300 til 6000 MHz for at understøtte 3G-, 4G- og 5G-allokeringer samt nogle mindre frekvensallokeringer.

Figur 9: Effektivitets- og forstærkningsdiagrammerne for ACR4006X fra 600 til 6000 MHz viser huller, men disse er af ringe betydning for brugerne, da de ikke ligger inden for 3G-, 4G- og 5G-båndene. (Billedkilde: Abracon LLC)

Da ACR4006X ikke er beregnet til GPS-modtagere, er dens ydeevne ikke specificeret ved GPS-bærerfrekvenser på 1575,42 MHz (L1-bærer) og 1227,6 MHz (L2-bærer).

ACR4006X's X-Y-strålingsmønster er også en funktion af frekvensen, men det har stadig en nogenlunde cirkulær form over hele det brede bånd med kun nogle få beskedne forstærkningsdyk ved 90° og 270° i det lavere frekvensområde (figur 10).

Figur 10: X-Y-strålingsmønsteret for ACR4006X-chipantennen er nogenlunde cirkulært, men med nogle frekvensafhængige forstærkningsdyk ved 90° og 270°. (Billedkilde: Abracon LLC)

Evalueringen af en antennes ydeevne begynder med databladet, ofte efterfulgt af bekræftelse ved hjælp af et ekkoisk kammer og til sidst feltprøver med det endelige produkt. Faktorer, der påvirker den eksterne antennes faktiske ydeevne, er kabinettet, brugerens krop og hænder for mobile enheder samt antennens lokation og placering. Det er stort set frakoblet fra produktets interne printkortlayout.

I modsætning hertil påvirkes ydelsen af en intern enhed som ACR4006X-chipantennen af de tilstødende komponenter og printkortet. Derfor tilbyder Abracon ACR4006X-EVB-evalueringskortet for at lette den tekniske evaluering af denne chipantenne.

Kortet bruges sammen med en vektornetværksanalysator (VNA). Efter den indledende kalibrering af konfigurationen - et standardtrin i de fleste VNA-tests - vurderes antennens ydeevne via VNA'ens kalibrerede port ved hjælp af SMA-stikket på kortet.

Evalueringskortet måler 120 × 45 mm og er præcist dimensioneret til korrekt placering af chipantennen. Den omfatter det nødvendige 45 × 13 mm store metal-/jordafstandsområde omkring antennen for at sikre korrekt drift (figur 11).

Figur 11: ACR4006X-EVB-evalueringskortet måler kun 120 × 45 mm og gør det muligt at evaluere chipantennen via dens SMA-stik; databladet viser de kritiske layoutområder og dimensioner. (Billedkilde: Abracon LLC)

Konklusion

Flerband-antenner imødekommer udfordringerne for IoT-enheder, især dem, der skal understøtte et enkelt bånd nu, samtidig med at de giver en mere smidig opgraderingsvej til nyere standarder som 5G. De gør det også muligt for et system at understøtte flere bånd for at optimere ydeevnen i områder, hvor forbindelsen ikke er sikret på et enkelt bånd. Som vist giver Abracons interne antenner monteret på printkortet en slankere pakke, mens de eksterne antenner, der enten bruger et integreret RF-stik eller en koaksialkabeltilslutning, giver fleksibilitet i placeringen for at opnå en optimal signalvej.