Slik imøtekommer du både eldre nettverk og trådløse 5G IoT-nettverk ved å bruke bredbåndsantenner

I tillegg til svært synlige forbruker-smarttelefoner, er 5G-baserte trådløse forbindelser rettet mot forskjellige innebygde bruksområder som tingenes Internett (IoT), maskin-til-maskin (MTM)-forbindelser, det smarte nettet, salgsautomater, gatewayer, rutere, sikkerhet og konnektivitet for ekstern overvåking. Dette skiftet til 5G vil imidlertid ikke skje over natten. Dette skaper et behov for antenner ved inngangen (front end) til den trådløse kommunikasjonsforbindelsen som kan imøtekomme 5G, samt eldre forbindelser som 2G, 3G og andre ikke-5G-forbindelser som vil forbli på plass i mange år fremover, selv om 5G blir mer og mer utbredt.

På grunn av dette må teknikere konstruere produkter for bånd i tillegg til de som støtter 5G-standarder. Selv om den interne RF-inngangen eller effektforsterkeren varierer for hvert bånd, er det fordeler med å ha én enkelt bredbåndsantenne som kan dekke både 5G og eldre bånd.

Denne artikkelen ser på bredbåndsantenner som dekker det nedre båndet i 5G-spektret samt eldre bånd, representert av illustrative enheter fra Abracon LLC. Artikkelen viser hvordan bruken av denne typen antenner – enten som synlige eksterne enheter eller interne, integrerte enheter – kan lette utformingen, forenkle materiallisten (BOM) og legge til rette for installasjon av en 5G-oppgradering om nødvendig.

Begynn med regulatoriske bånd

Antenner er det siste elementet i RF-signalbanen og det første i den supplerende mottakerbanen. Antennens funksjon er å være en transduser mellom kretsens verden av strøm og spenning og RF-verdenen av utstrålt energi og elektromagnetiske felt.

Når du velger en antenne for målkonstruksjonen, er det viktig å huske på at antennen fungerer uten hensyn til hvilken type modulasjon eller industristandard den brukes for. Ingen av parametrene som brukes for antennevalg – for eksempel senterfrekvens, båndbredde, forsterkning, nominell effekt eller fysisk størrelse – angir om antennen brukes for amplitude-, frekvens- eller fasemodulasjonssignaler (AM, FM, PM); 3G-, 4G- eller 5G-signalformater eller til og med proprietære signalformater.

Selvfølgelig får systemdesigner for nye konstruksjoner som støtter 5G-standarder en betydelig grad av designoppmerksomhet, spesielt for 5G-bånd under 6 gigahertz (GHz) hvor mesteparten av 5G-aktiviteten foregår. Det er viktig å skille mellom den trådløse standarden som systemet støtter og frekvensen og spektrumet som brukes til å fastsette antennevalget.

De nye 5G-standardene benytter seg av spektrumssegmenter som tidligere var utilgjengelige, samtidig som de utnytter deler av spektrumet som allerede er i bruk, noe de gjør ved å innlemme modulasjonsmetoder på høyere nivå for å oppnå høyere gjennomstrømning. Selv om bransjen og operatøren kan fase ut (eller «slukke») støtte for en eksisterende standard, for eksempel 3G i 2022, vil noen deler av spektret som brukes av 3G fortsatt bli brukt for 4G og til og med 5G (figur 1).

Figur 1: Frekvensene mellom 600 og 6000 MHz støtter flere standarder, for eksempel 3G, 4G og 5G, med noe spektrumoverlapp. (Bildekilde: Abracon LLC)

Dette betyr at antenner som støtter 3G- eller 4G-bånd fortsatt kan være praktiske for 5G også, og omvendt. Standarden kan slukkes, men ikke antennen, og forover/bakover-antennekompatibilitet er mulig. I hvert av disse tilfellene er gjenbruk av antenner som støtter flere standarder og bånd en praktisk og ofte ønskelig løsning.

Andre viktige standarder i RF-spektret, fra 600 megahertz (MHz) til 6 GHz, omfatter:

• CBRS (Citizens Broadband Radio Service), et lett regulert segment på 150 MHz i området 3550 MHz til 3700 MHz (3,5 GHz til 3,7 GHz). I USA har FCC (Federal Communications Commission) designert denne tjenesten for deling mellom tre typer brukere: Etablerte brukere, brukere med PAL (priority access license) og brukere med GAA (general authorized access).
• LTE-M, forkortelsen for LTE Cat-M1 (ofte kalt CAT M) eller Long-Term Evolution (4G), kategori M1. Denne teknologien gjør det mulig for batteridrevne IoT-enheter med lav driftssyklus å koble seg direkte til et 4G-nettverk som ikke har noen gateway.
• Narrowband-IoT (NB-IoT) er en trådløs teknologi av mobiltelefonikvalitet som bruker ortogonal frekvensinndelingsmultipleksing (OFDM – orthogonal frequency division multiplexing) i 3G-paraplybetegnelsen. Det er et initiativ fra 3GPP (Third Generation Partnership Project) – som er organisasjonen bak standardiseringen av mobilsystemer – opprettet for å dekke behovene til enheter med svært lav datahastighet (very-low-data-rate) som må koble til mobilnettverk, som ofte også er drevet av batterier.

En merknad om bredbånds- og flerbåndsterminologi, da det er muligheter for forvirring og tvetydighet. «Bredbånd» refererer til en antenne med en båndbredde som er en betydelig brøkdel av senterfrekvensen. Selv om det ikke finnes noen formell definisjon av dette tallet, betyr det som regel uformelt en båndbredde som er minst 20 til 30 prosent av senterfrekvensen. «Flerbånd» betyr derimot en antenne som er konstruert for å støtte to eller flere bånd, slik det er definert i forskriftsmessige standarder. Disse båndene kan være tett plassert eller adskilt med større avstander.

Et ekstremt eksempel på en flerbåndsantenne ville være en antenne som fungerer både for radiosending AM (550 til 1550 kHz) og radiosending FM (88 til 108 MHz). En flerbåndsantenne kan være bredbånd, men er ikke nødvendigvis det.

Uavhengig av antall, avstand og båndbredde som støttes, har en flerbåndsantenne en enkel RF-tilkobling, selv om den internt kan bestå av to eller flere tydelig kombinerte antenner. I motsetning til en enklere bredbåndsantenne, kan en flerbåndsantenne faktisk være konstruert med nøye overveide hull i forsterkningsdekning på tvers av båndbredden for å minimere interferens ved drift på samme kanal (co-channel interference).

Intern eller ekstern antenne

Standarden for trådløs konnektivitet som antennen brukes for, er ikke et problem med antennekonstruksjonen, men frekvensen og båndbredden er definitivt hensyn som gjør den fysiske implementeringen av antennen til en viktig beslutning. En viktig konstruksjonsmessig vurdering som må tas er om det skal brukes en ekstern eller intern antenne i sluttproduktet.

Interne antenner har følgende egenskaper:

• De gjør det mulig å oppnå et slankere format, uten eksternt tilbehør som kan bli ødelagt eller hekte seg fast i ting
• Den innebygde antennen er alltid tilkoblet og tilgjengelig
• De har iboende begrensninger når det kommer til dekning, effektivitet, strålingsmønstre og andre ytelseskriterier
• Ytelsen til den innebygde antennen vil påvirkes av tilstøtende kretser, så plasseringen er nært forbundet med kretskortets størrelse, layout, komponenter og generelle sammenstilling
• Brukerens hånd eller kropp kan indusere endringer i antennemønster, virkningsgrad og ytelse

Eksterne antenner har derimot følgende egenskaper:

• De tilbyr høyere potensial når det kommer til å skreddersy strålingsmønstre, båndbredde og forsterkning, siden de har flere grader av konstruksjonsfrihet
• De trenger ikke være festet til IoT/RF-enheten og kan plasseres optimalt med en beskjeden avstand ved å bruke en koaksialkabel
• De påvirkes minimalt, eller ikke i det hele tatt, av de elektriske aspektene til produktets konstruksjon og emballasje
• De er tilgjengelige i flere typer og konfigurasjoner
• De krever en kontakt eller kabel for festing, noe som kan være et sviktpunkt

Valget mellom en ekstern og en intern antenne avgjøres vanligvis basert på flere faktorer. Disse inkluderer sluttproduktets bruksområde og brukerpreferanser, balansert mot ytelsen og om antennen skal brukes i en mobil eller fast situasjon. For eksempel kan en smarttelefon med en ekstern antenne anses som upraktisk. Til sammenligning kan en fast IoT-node med en ekstern, og kanskje litt fjerntliggende antenne, gi bedre og mer konsistent konnektivitet.

Fordeler med flerbåndsantenner

Flerbåndsantenner kan tilfredsstille eksisterende bruksområder og samtidig fremtidssikre konstruksjoner for oppgraderinger, som inkluderer 5G-konnektivitet. Men hvorfor vurdere en slik antenne hvis installasjonsparametrene og spesifikasjonene er kjent? Det er flere gode grunner:

• En enkel antenne kan brukes på tvers av en produktfamilie som er rettet mot ulike bånd, og dermed forenkle lagerstyring og innkjøp
• En intern flerbåndsantenne resulterer i et mindre format, mens en ekstern antenne reduserer antallet antennekontakter på produktets kabinett
• Flerbåndsantennen kan brukes som en IoT-enhet der en oppgradering til et nytt bånd, for eksempel 5G, er mulig eller forventet, enten på grunn av ytelsesgrunner eller slukking av eksisterende bånd og standard
• En enkel ekstern antenne for flere bånd tilbyr fellestrekk med hensyn til installasjonsteknikker og verktøy
• For viktige faste og svært mobile bruksområder, kan enhetens RF-seksjon gi støtte for to bånd, slik at enheten kan veksle dynamisk mellom bånd for å gi optimal ytelse i et gitt område eller for en gitt innstilling
• Konstruktører kan bruke en enkel intern flerbåndsantenne i urelaterte enheter, men dra nytte av erfaringene de har opparbeidet seg innen antennemodellering, plassering og mulige produksjonsproblemer

Eksempler på flerbåndsantenner i den virkelige verden

Til tross for bredbåndsytelsen er ikke flerbåndsantenner begrenset i størrelse eller termineringstype, noe tre eksempler illustrerer.

AEBC1101X-S er en 5G/4G/LTE mobiltelefoni-piskantenne som måler 115 millimeter (mm) i lengde, med en maksimal diameter på 19 mm, konstruert for drift i området fra 600 MHz til 6 GHz (figur 2). Den kommer med en standard SMA-hannkontakt som kan rotere 90° slik at den kan monteres direkte på produktets kabinett (den kan også brukes med en forlenget koaksialkabel). En SMA-kontakt med omvendt polaritet er også tilgjengelig.

Figur 2: AEBC1101X-S 5G/4G/LTE mobiltelefoni-piskantennen er konstruert for drift i området fra 600 MHz til 6 GHz, og de kommer med en integrert SMA-koaksialkontakt med 90° rotasjon. (Bildekilde: Abracon LLC)

Ståbølgeforholdet (VSWR) og maksimal forsterkningsytelse er ganske konstant over hele båndet, men det er en forskyvning i virkningsgraden mellom de nedre og øvre frekvensområdene (figur 3).

Figur 3: AEBC1101X-S 5G/4G/LTE mobiltelefoni-piskantennen har beskjedne endringer i ytelse mellom lave områder (600 til 960 MHz) og høye områder (1400 til 6000 MHz). (Bildekilde: Abracon LLC)

Strålemønsteret er ganske sirkulært over hele båndet, bortsett fra noen små lober som oppstår ved 3600 MHz, og som blir litt mer åpenbare ved 5600 MHz (figur 4).

Figur 4: X-Y-strålemønsteret for AEBC1101X-S endres mellom 3600 og 5600 MHz, der noen lober vil vises. (Bildekilde: Abracon LLC)

AECB1102XS-3000S 5G/4G/LTE/NB-IoT/CAT-bladantennen, som også er for drift i området fra 600 MHz til 6 GHz, måler 115,6 mm lang × 21,7 mm bred, og har en svært tynn profil på bare 5,8 mm (figur 5). Den er konstruert for enkel og praktisk installasjon mot en flat overflate med klebeteip.

Figur 5: AECB1102XS-3000S 5G/4G/LTE/NBIOT/CAT-bladantennen, som også er for 600 MHz til 6 GHz, er en lavprofilantenne som er konstruert for å enkelt monteres mot en flat overflate ved hjelp av klebetape. (Bildekilde: Abracon LLC)

RF-ytelsen ligner på ytelsen til AEBC1101X-S, med en maksimal VSWR på under 3,5, men med en toppforsterkningen som er litt lavere ved 2 desibel i forhold til en isotropisk stråler (dBi). Strålemønsteret i X-Y- og X-Z-planet er også mer komplekst (figur 6).

Figur 6: Strålemønstrene X-Z og Y-Z for AECB1102XS-3000S-bladantennen viser et mer komplekst sett med lober sammenlignet med piskantennen. (Bildekilde: Abracon LLC)

En fremstående forskjell mellom AEBC1101X-S og AECB1102XS-3000S er de tilgjengelige termineringene. AECB1102XS-3000S-bladenheten leveres som standard med en LMR-100-koaksialkabel på 1 meter (m) (den erstatter RG174- og RG316-kabeltypene) som er terminert med den utbredte SMA-hannkontakten. Nesten alle kabellengder kan imidlertid bestilles, og kontakttyper utenom SMA tilbys også som standardalternativer for å gi tilkoblingsfleksibilitet (figur 7).

Figur 7: Den standard koaksialkabelen for AECB1102XS-3000S termineres med en SMA (M)-kontakt, men mange andre kontaktalternativer tilbys. (Bildekilde: Abracon LLC)

Den keramiske 600 til 6000 MHz ACR4006X bredbånd-brikkeantennen er en overflatemontert enhet som måler kun 40 × 6 × 5 mm. Når den er i drift, krever den et lite impedanstilpassende nettverk med induktor-kondensator (LC) som består av en induktor på 8,2 nanohenry (nH) og en kondensator på 3,9 picofarad (pF) (hver med størrelsen 0402) for å oppnå ønsket impedans på 50 ohm (Ω) (figur 8).

Figur 8: Den keramiske brikkeantennen ACR4006X for 600 til 6000 MHz bredbånd, har en fysisk størrelse på bare 40 × 6 mm, og den krever bare to bittesmå passive komponenter for impedanstilpasning på 50 Ω. (Bildekilde: Abracon LLC)

Databladet for ACR4006X gir uttrykk for at det er en enhet for 600 til 6000 MHz, men vær oppmerksom på at effektivitet, toppforsterkning og gjennomsnittlige forsterkningsgrafer for enheten har noen hull (Figur 9). Dette er med forsett, siden denne flerbåndsantennen er konstruert og optimalisert for ytelse i tre spesifikke bånd innenfor dette området: 600 til 960 MHz, 1710 til 2690 MHz og 3300 til 6000 MHz, for å støtte 3G-, 4G- og 5G-tildelinger, samt noen mindre spektrumtildelinger.

Figur 9: Diagrammene for effektivitet og forsterkning for ACR4006X fra 600 til 6000 MHz viser hull, men disse er lite bekymringsverdige for brukerne da de ikke er innenfor 3G-, 4G- og 5G-båndene. (Bildekilde: Abracon LLC)

Siden ACR4006X ikke er beregnet for GPS-mottakere, er ikke ytelsen spesifisert til GPS-bærefrekvenser på 1575,42 MHz (L1-bærer) og 1227,6 MHz (L2-bærer).

ACR4006X sitt X-Y-strålemønster er også en funksjon av frekvens, men det opprettholder likevel en omtrentlig sirkulær form på tvers av det brede båndet sitt, med bare noen få beskjedne forsterkningsfall på 90° og 270° i det lavere frekvensområdet (figur 10).

Figur 10: X-Y-strålemønsteret til ACR4006X-brikkeantennen er omtrentlig sirkulært, men med noen frekvensavhengige forsterkningsfall på 90° og 270°. (Bildekilde: Abracon LLC)

Evaluering av en antennes ytelse begynner med databladet, ofte etterfulgt av bekreftelse som gjøres ved å bruke et ekkofritt kammer, og til slutt testing ute i felten med det endelige produktet. Faktorer som påvirker ytelsen til den eksterne antennen er kabinettet, brukerens kropp og hender for mobile enheter og antennens lokasjon og plassering. Den er hovedsaklig frakoblet produktets interne kretskortlayout.

Ytelsen til en intern enhet, for eksempel ACR4006X-brikkeantennen, påvirkes av tilstøtende komponenter og kretskortet. Derfor tilbyr Abracon ACR4006X-EVB-evalueringskortet for å gi en måte å legge til rette for teknisk evaluering av denne brikkeantennen.

Kortet brukes sammen med en vektornettverksanalysator (VNA). Etter innledende kalibrering av konfigurasjonen – som er et standard trinn i de fleste VNA-tester – vurderes antenneytelsen via VNA-ens kalibrerte port som bruker SMA-kontakten på kortet.

Evalueringskortet måler 120 × 45 mm og er nøyaktig dimensjonert for å gi riktig plassering av brikkeantennen. Det inkluderer det nødvendige metall/jord-klaringområdet på 45 × 13 mm rundt antennen for å gi riktig drift (figur 11).

Figur 11: ACR4006X-EVB-evalueringskortet måler bare 120 × 45 mm og forenkler evalueringen av brikkeantennen via SMA-kontakten. Databladet viser viktige layoutområder og dimensjoner. (Bildekilde: Abracon LLC)

Konklusjon

Flerbåndsantenner møter utfordringene forbundet med IoT-enheter, spesielt de som må støtte ett enkelt bånd i dag og samtidig gi en smidigere oppgraderingsbane til nyere standarder som 5G. De gjør det også mulig for et system å støtte flere bånd for å optimalisere ytelsen i soner der konnektivitet ikke er garantert på ett enkelt bånd. Som vist, muliggjør Abracons kretskortmonterte interne antenner et slankere format, mens de eksterne antennene, som bruker enten en integrert RF-kontakt eller et koaksialkabelfeste, gir økt fleksibilitet når det kommer til velge plassering for å oppnå optimal signalbane.