Bruk robuste flerbåndsantenner for å løse utfordringen med mobil konnektivitet

En annen viktig drivkraft for mobil trådløs tilkobling, sammen med smarttelefoner og tingenes Internett (IoT)-enheter, er bruksområder relatert til transport, deriblant jernbaner, lastebiler og sporing av ressurser. Disse konstruksjonene byr på et unikt sett med utfordringer for systemantennen, for eksempel vibrasjoner, støt, ekstremtemperaturer, regn, fuktighet og krav om å operere på tvers av brede båndbredder og til og med flere bånd, og samtidig gi stabil ytelse.

Selv om det er mulig å konstruere og bygge en egnet antenne, er det i nesten alle utfordrende bruksområder mest fornuftig å bruke en standard, riktig utformet, velbygd enhet med full karakteristikk som er å finne som hyllevare. Dette reduserer kostnader og utviklingstid, og øker samtidig tilliten til den endelige konstruksjonen.

Denne artikkelen undersøker problemene som er forbundet med utformingen av transportantenner. Deretter introduseres to flerbåndsantenner fra TE Connectivity som er utformet for å monteres på overflaten av et kabinett, deriblant en grunnleggende «boks» og muligens et eksponert kjøretøy i bevegelse.

Bruksområder driver implementeringer

Antennen er den livsviktige transduseren mellom en elektronisk krets og frie elektromagnetiske felt (EM – electromagnetic), og er derfor ofte det mest utsatte elementet i hele konstruksjonen. Likevel må den levere ønsket elektrisk ytelse og RF-ytelse til tross for tøffe omgivelsesforhold, noe den gjør ved å bruke et format som er kompatibelt med den generelle systemkonstruksjonen.

For fraktgodssystemer, og særlig for høyhastighetstog, må det også være enkelt å integrere disse i et aerodynamisk kabinett som både har minimal vindmotstand og kan beskyttes mot tøffe miljøforhold (figur 1). Tilsvarende begrensninger gjelder for situasjoner med sporing av ressurser, der antennen må eksponeres for å motta signaler fra det globale satellittsystemet for navigasjon (GNSS – global navigation satellite system).

Figur 1: Mobil konnektivitet ved å bruke ulike standarder og bånd er nå en forventning på mobile høyhastighetsinstallasjoner som tog, noe som byr på utfordringer på grunn av vindmotstand og miljømessig robusthet. (Bildekilde: TE Connectivity)

Den optimale antennen er en forsiktig blanding av anvendelsesspesifikke egenskaper, deriblant ønskede strålingsmønstre, riktig impedanstilpasning, lavspent stående bølgeforhold (VSWR – voltage standing wave ratio), mekanisk integritet, kabinettets egnethet og enkle elektriske tilkoblinger. Det er også i mange tilfeller behov for å forbedre signalbanen og maksimere signal-til-støy-forholdet (SNR – signal-to-noise ratio) på inngangen ved å bruke en aktiv antenne med en integrert lavstøyforsterker (LNA – low noise amplifier).

I likhet med alle komponenter, er det noen parametere på øverste nivå som brukes til å karakterisere nesten alle antennekonstruksjoner og -installasjoner, samt andre som kan være mer eller mindre kritiske i en gitt situasjon. Strålingsmønstre og ytelse på tvers av det angitte båndet er svært viktige hensyn for antenner.

Implementering av antenneprinsipper

Orienteringen av antenner som brukes til transport og sporing av ressurser er en utfordring ettersom den er tilfeldig og skiftende, noe som gjør det viktig for dem å ha et konsistent, retningsbestemt mønster for topp- og sidesynsfeltet gjennom hele det angitte båndet.

TE Connectivity 1-2309605-1 M2M MiMo LTE-dobbeltantennen er for eksempel utviklet for både 698 til 960 megahertz (MHz) og 1710 til 3800 MHz bånd, og er målrettet mot 2G-, 3G-, 4G-, mobiltelefoni-, GSM- og LTE-bruksområder (figur 2). Én enkelt antenne kan være effektiv for denne listen over standarder fordi den er agnostisk med hensyn til det spesifikke signalformatet den formidler eller standarden den støtter. Konstruksjonen er hovedsakelig definert av frekvens, båndbredde og effekt.

Figur 2: TE Connectivity 1-2309605-1 er én enkelt modul som består av to uavhengige antenner, den ene for 698 til 960 MHz-drift og den andre for 1710 til 3800 MHz-drift. (Bildekilde: TE Connectivity)

Vær oppmerksom på at en «dobbeltantenne» ikke er det samme som en «dobbeltbåndsantenne» . En dobbeltantenne, for eksempel 1-2309605-1, har to uavhengige antenner i ett enkelt hus, der hver av disse har sin egen mating (feed). En dobbeltbåndsantenne er én enkelt antenne med én mating, som er konstruert for å støtte to (eller flere) bånd.

Ser man på lavbåndsantennen til 1-2309605-1, er strålingsmønsteret for denne for både topp- og sideorientering jevnt på tvers av hele båndbredden, fra den nedre frekvensen på rundt 700 MHz opp til de øvre frekvensene på omtrent 900 MHz (figur 3).

Figur 3: Forsterkningskurver for side (venstre) og topp (høyre) for 1-2309605-1 ved 700, 800 og 900 MHz (henholdsvis øverste rad, midtre rad, nedre rad) viser et ganske ensartet strålingsmønster. (Bildekildemateriale: TE Connectivity)

Ved 700 MHz (den lave enden til frekvensbåndet) er forsterkningen i desibel relativ til en isotropisk antenne (dBi) – en standard målestokk som indikerer retningsvirkningen til en antenne – bare 1,5 dBi, noe som representerer et ganske ensartet strålingsmønster. Denne ensartetheten og jevnheten bidrar til konsekvent ytelse, uavhengig av antennens orientering. Videre er strålingsmønsteret for den høyere 900 MHz-frekvensenden også ganske jevnt, med en forsterkning på bare 4,5 dBi.

En annen viktig antenneparameter er VSWR, som formelt sett er definert som forholdet mellom maksimal og minimal spenning, eller det stående bølgeforholdet mellom overført og reflektert spenning på en tapsfri overføringslinje. I et ideelt scenario vil VSWR være 1:1. Selv om dette ofte er vanskelig å oppnå, er det vanligvis akseptabelt å arbeide med en VSWR med lave ensifrede tall.

For LTE-dobbeltantennen 1-2309605-1 M2M MiMo, som kan håndtere en overføringseffekt på opptil 20 watt, er den maksimale VSWR-en når den måles med en RG174-kabel på 3 meter, rundt 3:1 i den ene enden, og nærmere 1,5:1 gjennom de fleste driftsbåndene (figur 4). Generelt sett er dette lavt nok for mange av de tiltenkte bruksområdene.

Figur 4: VSWR (vertikal akse) for LTE-dobbeltantennen 1-2309605-1 M2M MiMo, målt med en RG174-kabel på 3 meter, viser en lav verdi over hele det aktive frekvensområdet (x-aksen). (Bildekilde: TE Connectivity)

I figur 4 er det grønne elementet med den lavere frekvensen #1, rød er elementet med høyere frekvens #2, svart er for elementene #1 og #2 i fritt rom, mens blå er for elementene #1 og #2 på et 400 × 400 millimeter (mm) horisontalt projeksjonsplan (ground plane).

Antenner med mer enn én lokasjon

Det er mulig å samlokalisere to eller flere separate antenner for å dekke flere bånd. Dette fører imidlertid til flere potensielle problemer. For det første har vi det åpenbare problemet med plass og monteringsutstyr som kreves på et panel eller en annen type overflate, samt de tilknyttede installasjonskostnadene. For det andre er det bekymringer knyttet til elektromagnetisk interaksjon mellom antenner som vil påvirke mønstre og ytelse, noe som begrenser hvordan de kan plasseres i forhold til hverandre. Denne interaksjonen måles som antenneisolasjon, og definerer i hvilken grad en antenne vil plukke opp stråling fra en annen antenne.

Løsningen på dette dilemmaet er å bruke én enkelt antenneenhet som kombinerer flere antenner i ett enkelt hus eller kabinett. Mekanisk sett reduserer dette den generelle størrelsen, forenkler installasjonen og rutingen av antennekabelen og gir et strømlinjeformet eksternt utseende.

Elektrisk sett betyr dette at isolasjonen mellom antennene kan måles og spesifiseres på forhånd, noe som minimerer bekymringer knyttet til uventet eller uforutsett interaksjon. For den LTE-dobbeltantennen 1-2309605-1 M2M MiMo er isolasjonen minst 15 dB, og dette øker mot midten av begge båndene som enheten betjener (figur 5).

Figur 5: Isolasjonen (y-aksen, dB) mellom de to antennene i LTE-dobbeltantennemodulen 2309605-1 M2M MiMo er 15 dB eller bedre, målt som funksjon av frekvens (x-aksen, MHz). (Bildekilde: TE Connectivity)

En aktiv mottak-antenne-funksjon

I tillegg til de to båndene som dekkes av 1-2309605-1-dobbeltantennen, må mange bruksområder, for eksempel sporing av ressurser, også motta signaler fra GPS (USA), Galileo (Europa) og Beidou (Kina) GNSS-systemer for posisjons- eller timinginformasjon. For å forenkle denne oppgaven og unngå behovet for en annen ekstern diskret antenne, tilbyr TE 1-2309646-1. Dette legger til en tredje mottakerantenne for GNSS-signaler i området 1562–1612 MHz til de to antennene på dobbeltantenne-enheten.

Behovet for å motta GNSS-signaler gir imidlertid en annen utfordring for systemdesignere, som går tilbake til det grunnleggende innen sende- kontra mottak-funksjonene. Når den brukes til overføring, er antennen og matingslinjen i en deterministisk situasjon. De tar det kjente, styrte, veldefinerte signalet fra senderens effektforsterker (PA), og utstråler det. Det er liten bekymring for intern støy på dette signalet, forstyrrelser i båndet eller signaler utenfor båndet mellom PA-en og antennen.

Takket være gjensidighetsprinsippet som gjelder for alle antenner, kan den samme fysiske antennen som brukes for sending også brukes for mottak. Driftsforholdene for mottak er imidlertid en god del annerledes sammenlignet med overføring. Siden antennen prøver å fange opp et signal med ukjente elementer i nærvær av forstyrrelser og støy, i og utenfor båndet, er ikke det ønskede mottatte signalet deterministisk da det har mange tilfeldige egenskaper.

I tillegg er den mottatte signalstyrken lav (i størrelsesorden mikrovolt til noen få millivolt) og signal-til-støy-forholdet (SNR) er også lavt. For GNSS-signaler er mottatt signaleffekt vanligvis mellom –127 og –25 dB relativt til 1 milliwatt (dBm), mens SNR-en vanligvis er mellom 10 og 20 dB. Dette ømtålige signalet vil dempes på grunn av tap i kabelen mellom antennen og mottakerens inngang, og det vil også ha signal-til-støy-forholdet sitt degradert av uunngåelig termisk og annen støy i overføringskabelen.

På grunn av dette har 1-2309646-1 en LNA som en annen funksjon for sin tredje GNSS-antenne som kun er for mottak. LNA-en gir 42 dB forsterkning for GNSS-signalene, noe som dermed øker den mottatte signalstyrken betydelig. For å forenkle bruken av LNA-en, mottar den strømmen (3 til 5 volt DC, ved ikke mer enn 20 milliampere (mA)) via det forsterkede RF-signalets koaksialkabel ved å bruke en veletablert overlagringsteknikk (superimposition technique).

Likestrøm sendes på kabelen mellom mottakerenheten til LNA-en (figur 6). Likestrømmen til LNA-en (V1) er blokkert fra å nå radio/mediespilleren (front-end) av små seriekondensatorer (C1 og C2). Disse kondensatorene gjør det mulig for det forsterkede RF-signalet fra antennen (ANT1) å passere til radio/mediespilleren (OUT). Samtidig er det forsterkede RF-signalet blokkert fra å gå tilbake til strømforsyningen V1 av serieinduktorer (choker) L1 og L2. På denne måten kan likestrøm til LNA-en og forsterket RF fra LNA-en til radio/mediespilleren dele den samme koaksialkabelen.

Figur 6: Likestrøm til antennens LNA kan overlagres på kabelen som bærer antenne/LNA-utgangen ved å bruke en smart sammenstilling av induktorer og kondensatorer som skiller og isolerer likestrøm- og RF-signalet i hver ende. (Bildekilde: Electronics Stack Exchange)

Utvikle den fysiske tilkoblingen

Alle antenner eller sammenstillinger av antenneelementer må ha en pålitelig, praktisk og elektrisk/mekanisk sikker måte for til- og frakobling av radioens inngang de tjener. Videre må den komplette antennesammenstillingen beskyttes mot omgivelsene og være enkel å montere med minimal innvirkning på monteringsoverflaten.

For å imøtekomme disse målene, er hvert bånd for den tobånds 1-2309605-1 og trebånds 1-2309646-1 utstyrt med en RG-174-koaksialkabel på 3-meter, som termineres med en standard SMA-plugg (figur 7). Som et resultat er tilkobling eller frakobling av én eller flere antenner ukomplisert, og kan enkelt gjøres i fabrikken under systemmontasje eller ute i felten som et tilleggutstyr.

Figur 7: Hver antenne i 1-2309605-1 og 1-2309646-1 har sin egen RG-174-koaksialkabel med SMA-pluggterminering for å forenkle installasjon, festing, testing og demontering om nødvendig. (Bildekilde: TE Connectivity)

Videre vil festing av flerantennemodulen til systemets overflate gjøres enklere ved å bruke én enkelt intern monteringsstang på 18 mm, pluss en limpute av akryl rundt den nedre kanten på antennehuset. Festing av antennen er en rask operasjon som ikke etterlater noe maskinvare utsatt for rust, løshet eller feilstramming.

Huset til disse antennene er optimalisert for mobile konstruksjoner som beveger seg i høye hastigheter. Den strømlinjeformede enheten er bare 45 mm bred og 150 mm lang med avrundede kanter (lik «haifinnen» på noen biltak) for å minimere luftmotstandskoeffisienten og vindmotstanden. Videre sikrer det UV-stabiliserte materialet i kabinettet at eksponering for sollys ikke vil svekke huset over tid.

Konklusjon

Mobil, høyhastighets, flerbånds trådløs konnektivitet for transport krever en antennesammenstilling som kan imøtekomme krevende elektriske, miljømessige og mekaniske formål. To-antennemoduler og tre-antennemoduler fra TE Connectivity gir lavbåndsantenner, høybåndsantenner og valgfrie GNSS-båndantenner, samt en intern LNA for sistnevnte. Disse enhetene er utstyrt med individuelle koaksialkabler og kontakter for hver antenne, pluss en enkel sammenstilling for montering på overflaten eller panelet for å lette installasjonen og gi kritisk miljømessig robusthet.

Relatert innhold

1. TE Connectivity, «Antenneprodukter» (Antenna Products)
2. DigiKey, «Utover ledninger: Antenner utvikler og tilpasser seg for å imøtekomme krevende trådløse krav» (Beyond Wires: Antennas Evolve and Adapt to Meet Demanding Wireless Requirements)
3. DigiKey, «Derfor er en god LNA viktig for en levedyktig antenneinngang» (Why a Good LNA is Key to a Viable Antenna Front-End)