Brug robuste multibåndsantenner til at løse udfordringen med mobilforbindelser

Sammen med smartphones og IoT-enheder (Internet of Things) er en anden vigtig drivkraft for mobil trådløs forbindelse en anden vigtig drivkraft for mobile trådløse forbindelser transportanvendelser, herunder jernbaner, lastbiler og sporing af aktiver. Disse applikationer stiller en række unikke krav til systemantennen, f.eks. vibrationer, stød, ekstreme temperaturer, regn, fugt og behovet for at operere på tværs af store båndbredder og endda flere bånd, samtidig med at der skal leveres en ensartet ydelse.

Selv om det er muligt at designe og bygge en passende antenne, er det i næsten alle udfordrende anvendelser mest fornuftigt at bruge en standardiseret, korrekt designet, velbygget, fuldt karakteriseret enhed fra hylden. Det reducerer omkostningerne og udviklingstiden og øger samtidig tilliden til det endelige design.

I denne artikel undersøges de spørgsmål, der er forbundet med design af transportantenner. Derefter præsenteres to multibåndsantenner fra TE Connectivity, der er designet til montering på overfladen af et kabinet, herunder en grundlæggende "kasse" og muligvis et udsat køretøj i bevægelse.

Anvendelser driver gennemførelsen

Antennen er den afgørende transducer mellem et elektronisk kredsløb og elektromagnetiske felter (EM) i det frie rum og er derfor ofte det mest udsatte element i designet. Alligevel skal den levere den ønskede elektriske og RF-ydeevne på trods af barske omgivelsesforhold i en formfaktor, der er kompatibel med det overordnede systemdesign.

I forbindelse med godstransportsystemer og især højhastighedstog for passagerer skal det også være let at integrere i et aerodynamisk kabinet, der både har minimal vindmodstand og kan beskyttes mod barske miljøforhold (figur 1). Lignende begrænsninger gælder for sporing af aktiver, hvor antennen skal være eksponeret for at modtage GNSS-signaler (Global Navigation Satellite System).

Figur 1: Mobilforbindelse ved hjælp af forskellige standarder og bånd er nu en forventning på mobile højhastighedsinstallationer som f.eks. tog, hvilket medfører udfordringer på grund af vindmodstand og miljømæssig robusthed. (Billedkilde: TE Connectivity)

Den optimale antenne er en omhyggelig blanding af applikationsspecifikke egenskaber, herunder ønsket strålingsmønster, korrekt impedanstilpasning, lavt VSWR-forhold (Voltage Standing Wave Ratio), mekanisk integritet, egnethed af kabinet og nemme elektriske forbindelser. I mange tilfælde er der også behov for at forbedre signalvejen og maksimere signal/støjforholdet i front-end (SNR) ved hjælp af en aktiv antenne med en integreret forstærker med lavt støjniveau (LNA).

Som med alle komponenter er der nogle vigtige parametre, der bruges til at karakterisere næsten alle antennedesigns og installationer, samt andre, der kan være mere eller mindre kritiske i en given situation. For antenner er strålingsmønstre og ydeevne i det specificerede bånd vigtige overvejelser.

Gennemførelse af antenneprincipper

Orienteringen af antenner, der anvendes til transport og sporing af aktiver, er en udfordring, da den er tilfældig og skiftende, hvilket gør det vigtigt for dem at have et ensartet, omnidirektionelt mønster for top- og sidevisninger i hele det specificerede bånd.

F.eks. er TE Connectivity 1-2309605-1 M2M MiMo LTE dualantenne designet til både 698 - 960 megahertz (MHz) og 1710 - 3800 MHz-båndene og er beregnet til 2G-, 3G-, 4G-, celle-, GSM- og LTE-applikationer (figur 2). En enkelt antenne kan være effektiv til denne liste af standarder, fordi den er uafhængig af det specifikke signalformat, den overfører, eller den standard, den understøtter; dens design er primært defineret af frekvens, båndbredde og effekt.

Figur 2: TE Connectivity 1-2309605-1 er et enkelt modul, der består af to uafhængige antenner, den ene til 698 - 960 MHz-drift og den anden til 1710 - 3800 MHz-drift. (Billedkilde: TE Connectivity)

Bemærk, at en "dual"-antenne ikke er det samme som en "dual-band"-antenne. En dobbeltantenne, som f.eks. 1-2309605-1, har to uafhængige antenner i et enkelt kabinet med hver sin egen indføring; en dualband-enhed er en enkelt antenne med én indføring, der er designet til at understøtte to (eller flere) bånd.

Hvis man ser på 1-2309605-1's lavbåndsantenne, er dens strålingsmønster for både top- og sideorienteringerne ensartet over hele båndbredden fra den nederste ende ved ca. 700 MHz og frem til de øvre frekvenser ved ca. 900 MHz (figur 3).

Figur 3: Forstærkningsdiagrammerne i siden (venstre) og toppen (højre) for 1-2309605-1 ved 700, 800 og 900 MHz (henholdsvis øverste række, midterste række og nederste række) viser et ret ensartet strålingsmønster. (Billedkildemateriale: TE Connectivity)

Ved 700 MHz (den lave ende af frekvensbåndet) er forstærkningen i decibel i forhold til en isotropisk antenne (dBi) - en standardmetrik, der angiver antennens retningsbestemthed - kun 1,5 dBi, hvilket repræsenterer et ret ensartet strålingsmønster. Denne ensartethed og jævnhed bidrager til en ensartet ydeevne, uanset antennens orientering. Desuden er strålingsmønsteret for den højere frekvens på 900 MHz også ret jævnt med en forstærkning på kun 4,5 dBi.

En anden vigtig antenneparameter er VSWR, som formelt defineres som forholdet mellem den maksimale og minimale spænding eller forholdet mellem transmitterede og reflekterede stående bølger på en tabsfri transmissionslinje. I et ideelt scenarie ville VSWR være 1:1. Selv om det ofte er vanskeligt at opnå dette, er det normalt acceptabel praksis at arbejde med en VSWR på et lavt encifret niveau.

For 1-2309605-1 M2M MiMo LTE dobbeltantenne, som kan håndtere op til 20 watt sendeeffekt, er den maksimale VSWR ved måling med 3 meter (m) RG174-kabel ca. 3:1 i den ene ende og tættere på 1,5:1 i de fleste af dens driftsbånd (figur 4). Generelt er dette lavt nok til mange af de målrettede anvendelser.

Figur 4: VSWR (lodret akse) for 1-2309605-1 M2M MiMo LTE dobbeltantenne som målt med 3 m RG174-kabel viser en lav værdi i hele det aktive frekvensområde (x-akse). (Billedkilde: TE Connectivity)

I figur 4 er grønt element nr. 1 med lavere frekvens, rødt element nr. 2 med højere frekvens, og sort er for element nr. 1 og 2 i det frie rum, mens blåt er for element nr. 1 og 2 på en 400 × 400 mm jordplan.

Samsidede antenner

Det er muligt at placere to eller flere separate antenner på samme sted for at dække flere bånd. Dette fører imidlertid til flere potentielle problemer. For det første er der det indlysende problem med plads og monteringsudstyr, der kræves på et panel eller en anden overflade, samt de tilhørende installationsomkostninger. For det andet er der bekymring for EM-interaktion mellem antennerne, som vil påvirke deres mønstre og ydeevne; dette begrænser, hvordan de kan placeres i forhold til hinanden. Denne interaktion måles som antenneisolation, der definerer, i hvilket omfang en antenne vil opfange stråling fra en anden antenne.

Løsningen på dette dilemma er at bruge en enkelt antennenhed, der kombinerer flere antenner i et enkelt kabinet eller en enkelt indkapsling. Mekanisk set reducerer dette den samlede størrelse, forenkler installationen og ledningen af antennekabler og giver et strømlinet ydre udseende.

Elektrisk set betyder det, at isolationen mellem antennerne kan måles og specificeres på forhånd, hvilket minimerer bekymringerne for uventet eller uforudset interaktion. For 1-2309605-1 M2M MiMo LTE dobbeltantenne er isoleringen mindst 15 dB, og den stiger mod midten af begge de bånd, som enheden betjener (figur 5).

Figur 5: Isolationen (y-akse, dB) mellem de to antenner i M2M MiMo LTE-modul 2309605-1 M2M MiMo LTE dobbeltantennemodulet er 15 dB eller bedre, målt som en funktion af frekvensen (x-akse, MHz). (Billedkilde: TE Connectivity)

En aktiv modtageantennefunktion

Ud over de to bånd, der dækkes af 1-2309605-1 dobbeltantenne, skal mange applikationer som f.eks. sporing af aktiver også modtage signaler fra GPS (USA), Galileo (Europa) og Beidou (Kina) GNSS-systemer til positions- eller tidsinformation. For at forenkle denne opgave og undgå behovet for endnu en ekstern diskret antenne tilbyder TE 1-2309646-1. Dette tilføjer en tredje antenne, der kun modtager GNSS-signaler mellem 1562 - 1612 MHz, til de to antenner i enheden med to antenner.

Behovet for at modtage GNSS-signaler tilføjer imidlertid en anden udfordring for systemdesigneren, som går tilbage til det grundlæggende i sende- og modtagefunktionerne. Når antennen og dens fødeledning bruges til at sende, befinder den sig i en deterministisk situation. De tager det kendte, kontrollerede, veldefinerede signal fra senderens effektforstærker (PA) og udstråler det. Der er kun få problemer med intern støj på dette signal, interferens inden for båndet eller signaler uden for båndet mellem PA'en og antennen.

På grund af gensidighedsprincippet, der gælder for alle antenner, kan den samme fysiske antenne, der anvendes til at sende, også anvendes til at modtage. Betjeningsbetingelserne for modtagelse er imidlertid helt anderledes end for udsendelse. Da antennen forsøger at opfange et signal med ukendte værdier i nærvær af interferens og støj inden for båndet og endda uden for båndet, er det ønskede modtagne signal ikke deterministisk, da det har mange tilfældige egenskaber.

Desuden er den modtagne signalstyrke lav (i størrelsesordenen mikrovolt til et par millivolt), og SNR er også lav. For GNSS-signaler er den modtagne signaleffekt typisk mellem -127 og -25 dB i forhold til en milliwatt (dBm), mens SNR typisk er mellem 10 og 20 dB. Dette skrøbelige signal vil blive dæmpet på grund af tab i kablet mellem antennen og modtagerens front-end, og dets SNR vil også blive forringet af uundgåelig termisk og anden støj i transmissionskablet.

Af disse grunde indeholder 1-2309646-1 en LNA som en anden funktion til den tredje GNSS-antenne, der kun modtager GNSS-antenne. LNA'en giver 42 dB forstærkning til GNSS-signalerne og øger dermed den modtagne signalstyrke betydeligt. For at forenkle brugen af LNA'en modtager den sin strøm (3 til 5 volt DC, ved højst 20 milliampere (mA)) via det forstærkede RF-signals koaksialkabel ved hjælp af en veletableret overlejringsteknik.

Der sendes DC via kablet mellem modtagerenheden og LNB'en (Figur 6). DC-strømmen til LNA'en (V1) er blokeret fra at nå frem til radiohovedet (front-end) af små seriekondensatorer (C1 og C2). Disse kondensatorer tillader det forstærkede RF-signal fra antennen (ANT1) at passere til radiohovedet (OUT). Samtidig forhindres det forstærkede RF-signal i at gå tilbage til strømforsyningen V1 af serieinduktorer (spoler) L1 og L2. På denne måde kan DC-strøm til LNA'en og forstærket RF fra LNA'en til radiohovedet dele det samme koaksialkabel.

Figur 6: DC-strømmen til antenne-LNA'en kan overlejres på det kabel, der fører antennen/LNA-udgangen, ved hjælp af en snedig indretning af induktorer og kondensatorer, som adskiller og isolerer DC-strømmen og RF-signalet i hver ende. (Billedkilde: Electronics Stack Exchange)

Den fysiske forbindelse

Enhver antenne eller samling af antenneelementer skal have en pålidelig, praktisk og elektrisk og mekanisk sikker måde at blive tilsluttet og frakoblet fra den radiofront-end, som de betjener. Desuden skal den komplette antennesamling være beskyttet mod omgivelserne og være let at montere med minimal påvirkning af monteringsfladen.

For at opfylde disse mål er hvert bånd i to-bånds 1-2309605-1 og tre-bånds 1-2309646-1 udstyret med et 3 meter RG-174 koaksialkabel, som er afsluttet med et standard SMA-stik (Figur 7). Derfor er det nemt at tilslutte eller afbryde en eller flere af antennerne og kan nemt gøres på fabrikken under systemets samling eller i marken som en tilføjelse.

Figur 7: Hver antenne i 1-2309605-1 og 1-2309646-1 har sit eget RG-174 koaksialkabel med SMA-stikterminering for at forenkle installation, fastgørelse, test og afmontering, hvis det er nødvendigt. (Billedkilde: TE Connectivity)

Endvidere er det lettere at fastgøre multiantennemodulet til systemets overflade ved hjælp af en enkelt intern 18 mm monteringsstang samt en akrylklæbende pude omkring antennehusets nederste kant. Fastgørelsen af antennen er en hurtig operation, som ikke efterlader noget udsat hardware, der kan ruste, løsne sig eller være ukorrekt tilspændt.

Huset på disse antenner er optimeret til mobile, højhastighedsbevægelser. Den strømlinede enhed er kun 45 mm bred og 150 mm lang med afrundede kanter (svarende til "hajfinnen" på taget af biler) for at minimere sin modstandskoefficient og vindmodstand. Desuden sikrer det UV-stabiliserede materiale i kabinettet, at udsættelse for sollys ikke svækker kabinettet med tiden.

Konklusion

Mobile, højhastigheds- og multibånds trådløse forbindelser til transport kræver en antennesamling, der kan opfylde krævende elektriske, miljømæssige og mekaniske mål. Modulerne med to og tre antenner fra TE Connectivity har lavbånds-, højbånds- og valgfri GNSS-antenner samt en intern LNA til sidstnævnte. Disse enheder er udstyret med individuelle koaksialkabler og stik til hver antenne samt en simpel overflade- eller panelmontering for at lette installationen og sikre kritisk miljømæssig robusthed.

Relateret indhold

1. TE Connectivity, "Antenneprodukter "
2. DigiKey, "Beyond Wires:Antenner udvikler sig og tilpasser sig for at opfylde krævende trådløse krav"
3. DigiKey, "Hvorfor en god LNA er nøglen til et levedygtigt antennefront-end"