Spełnienie wymagań zarówno starszych sieci bezprzewodowych IoT, jak i technologii 5G z wykorzystaniem anten szerokopasmowych

Oprócz smartfonów konsumenckich o wysokiej widoczności łącza bezprzewodowe oparte na standardzie 5G obsługują także różnorodne zastosowania wbudowane, takie jak Internet rzeczy (IoT), łącza maszyna-maszyna (MTM), inteligentne sieci, automaty sprzedające, bramy, routery, zabezpieczenia i zdalne monitorowanie. Jednak przejście na technologię 5G nie nastąpi w ciągu jednego dnia. Stwarza to potrzebę stosowania w komunikacji bezprzewodowej anten kompatybilnych jednocześnie z technologią 5G, jak również ze starszymi standardami 2G, 3G oraz pozostałymi, innymi niż 5G, które pozostaną w użyciu przez wiele lat, nawet w przypadku upowszechnienia 5G.

Z tych powodów inżynierowie zmuszeni są projektować produkty obsługujące nie tylko pasma standardu 5G. Nawet jeśli wewnętrzny układ front end częstotliwości radiowych (RF) lub wzmacniacz mocy różni się dla poszczególnych pasm, istnieją korzyści z posiadania jednej anteny szerokopasmowej do obsługi zarówno pasm 5G, jak i starszych.

W niniejszym artykule opisano anteny szerokopasmowe, które obsługują widmo dolnego pasma 5G, jak i pasma starszych standardów, co ilustrują grafiki dostarczone przez firmę Abracon LLC. W artykule przedstawiono, jak zastosowanie anten tego typu - zarówno tych zewnętrznych, jak i wewnętrznych wbudowanych - może ułatwić projektowanie, uprościć wykaz materiałów (BOM), a w razie potrzeby ułatwić modernizację instalacji do standardu 5G.

Zacznijmy od pasm określonych przepisami

Anteny stanowią ostatni element na ścieżce nadawania sygnałów o częstotliwościach radiowych (RF) i pierwszy na ścieżce komplementarnego odbiornika. Antena pełni rolę przetwornika pomiędzy ekosystemem obwodów w domenie prądów i napięć a ekosystemem częstotliwości radiowych w domenie energii promieniowania i pól elektromagnetycznych.

Dobierając antenę do zastosowania docelowego, należy pamiętać, że antena działa bez względu na typ modulacji lub przewidziany dla niej standard branżowy. Żaden z parametrów wykorzystywanych przy doborze anteny, takich jak częstotliwość środkowa, szerokość pasma, zysk energetyczny, moc znamionowa czy rozmiary fizyczne, nie jest funkcją tego, czy antena jest używana do sygnałów z modulacją amplitudy, częstotliwości lub fazy (AM, FM, PM), czy sygnałów 3G, 4G, 5G, czy nawet zastrzeżonych formatów sygnału.

Oczywiście do projektów systemów dla nowo powstających rozwiązań, które obsługują standardy 5G, przywiązuje się dużą wagę. Dotyczy to zwłaszcza pasm 5G poniżej 6GHz, w których skupia się większość aktywności 5G. Ważne jest, aby odróżnić standard bezprzewodowy obsługiwany przez system od częstotliwości i widma, od których zależy wybór anteny.

Nowe standardy 5G wykorzystują zarówno wcześniej niedostępne segmenty widma, jak i te używane dotychczas - poprzez wykorzystanie systemów modulacji wyższego poziomu w celu zwiększenia przepustowości. W związku z tym, podczas gdy wsparcie przemysłu i operatora dla istniejącego standardu może zostać stopniowo wycofane (lub „wygaszone”) - jak miało to miejsce w 2022 roku dla standardu 3G - niektóre części widma używane przez 3G będą nadal wykorzystywane dla 4G, a nawet dla 5G (ilustracja 1).

Ilustracja 1: częstotliwości od 600 do 6000MHz obsługują wiele standardów, takich jak 3G, 4G i 5G, przy czym niektóre częstotliwości nakładają się na siebie. (Źródło ilustracji: Abracon LLC)

Oznacza to, że anteny obsługujące pasma 3G lub 4G mogą nadal być użyteczne dla standardu 5G i odwrotnie. Standard może być wygaszony, ale nie antena, a jej kompatybilność z nowymi technologiami i kompatybilność wsteczna jest możliwa. W każdym z tych przypadków ponowne użycie anteny obsługującej wiele standardów i pasm, jest praktycznym i często pożądanym rozwiązaniem.

Inne istotne standardy w zakresie częstotliwości radiowych (RF) od 600MHz do 6GHz to m.in.:

• Szerokopasmowa cywilna służba radiowa (CBRS), luźno regulowana szerokość pasma 150MHz w zakresie od 3550MHz do 3700MHz (od 3,5GHz do 3,7GHz). W Stanach Zjednoczonych Federalna Komisja Łączności (FCC) udostępniła tę służbę celem umożliwienia komunikacji pomiędzy trzema poziomami użytkowników: użytkownikami uprzywilejowanymi, użytkownikami z koncesją dostępu priorytetowego (PAL) oraz użytkownikami ogólnego dostępu autoryzowanego (GAA).
• LTE-M, skrót oznaczający technologię LTE Cat-M1 (często nazywaną CAT M) lub Long-Term Evolution (4G), kategoria M1. Technologia ta umożliwia urządzeniom IoT niskiej mocy zasilanym bateryjnie bezpośrednie połączenie z siecią 4G bez bramy.
• Wąskopasmowy Internet rzeczy (NB-IoT) to technologia bezprzewodowa klasy komórkowej, która wykorzystuje zwielokrotnianie z ortogonalnym podziałem częstotliwości (OFDM) w ramach standardu 3G. Jest to inicjatywa projektu Third Generation Partnership Project (3GPP) - organizacji zajmującej się standaryzacją systemów komórkowych - w celu zaspokojenia potrzeb urządzeń o bardzo niskiej szybkości transmisji danych, które muszą łączyć się z sieciami komórkowymi, często zasilanych bateriami.

Kilka słów o terminach „szerokopasmowa” i „wielopasmowa”, ponieważ istnieje możliwość powstania zamieszania i dwuznaczności. „Szerokopasmowe” są anteny o szerokości pasma, która stanowi znaczną część jej częstotliwości środkowej. Chociaż nie ma formalnej definicji tej liczby, nieoficjalnie mówi się, że taka antena ma szerokość pasma równą co najmniej 20 do 30 procent częstotliwości centralnej. Termin „wielopasmowa” z kolei dotyczy anteny zaprojektowanej do obsługi co najmniej dwóch pasm określanych według norm prawnych. Pasma te mogą być rozmieszczone w bliskiej odległości lub być od siebie mocno oddalone.

Przykładem anteny wielopasmowej jest antena, która jednocześnie obsługuje transmisję AM (od 550 do 1550kHz)) i transmisję FM (od 88 do 108MHz). Antena wielopasmowa może być szerokopasmowa, ale nie musi.

Niezależnie od liczby obsługiwanych pasm, odległości między nimi i ich szerokości antena wielopasmowa ma jedno połączenie radiowe, nawet jeśli wewnątrz zawiera kilka odrębnych anten połączonych ze sobą. W przeciwieństwie do prostszej anteny szerokopasmowej, antena wielopasmowa może być zaprojektowana z celowymi przerwami w pokryciu pasma w celu zminimalizowania zakłóceń międzykanałowych.

Antena wewnętrzna czy zewnętrzna

Z punktu widzenia konstrukcji anteny problemem nie jest standard łączności bezprzewodowej, dla którego jest używana, ale częstotliwość i szerokość pasma są zdecydowanie czynnikami, które sprawiają, że fizyczne wdrożenie anteny jest ważną decyzją. Jedną z głównych kwestii konstrukcyjnych jest to, czy antena będzie używana jako zewnętrzna, czy też wbudowana w produkt końcowy.

Anteny wewnętrzne mają następujące atrybuty:

• Pozwalają na opracowanie smuklejszego rozwiązania bez zewnętrznych, wystających elementów, które mogłyby ulec złamaniu lub zaczepieniu
• Wbudowana antena jest zawsze podłączona i dostępna
• Mają one charakterystyczne dla siebie ograniczenia w odniesieniu do zasięgu, sprawności, charakterystyk promieniowania i innych kryteriów eksploatacyjnych
• Na parametry działania anteny wbudowanej będą miały wpływ pobliskie obwody. Dlatego jej lokalizacja jest ściśle powiązana z rozmiarami, architekturą, komponentami i ogólnym układem płytki drukowanej
• Dłoń lub ciało użytkownika mogą wywołać zmiany w charakterystyce promieniowania anteny, jej sprawności i parametrach działania

Z kolei anteny zewnętrzne posiadają następujące cechy:

• Oferują większe możliwości regulacji charakterystyk promieniowania, szerokości pasma i zysku energetycznego, ponieważ proces ich projektowania charakteryzuje się większą swobodą
• Nie muszą być podłączone do urządzenia Internetu rzeczy (IoT) ani urządzenia na częstotliwości radiowe (RF) i mogą być optymalnie umieszczone w niewielkiej odległości przy użyciu kabla koncentrycznego
• Oddziaływania elektryczne w odniesieniu do projektu produktu i obudowy mają dla nich małe znaczenie lub nie mają go wcale
• Są dostępne w kilku stylach i konfiguracjach
• Wymagają złącza lub kabla do przymocowania, które stanowią potencjalny punkt awarii

Wybór pomiędzy anteną zewnętrzną i wewnętrzną jest zwykle uzależniony od wielu czynników. Należą do nich m.in. przeznaczenie i preferencje użytkownika produktu końcowego, odpowiednio wyważone względem parametrów działania oraz zakładanego stopnia mobilności anteny. Na przykład smartfon z zewnętrzną anteną może być uznany za nieporęczny. Natomiast stacjonarny węzeł Internetu rzeczy (IoT) z zewnętrzną i być może nieco oddaloną anteną może zapewnić lepszą i pewniejszą łączność.

Zalety anteny wielopasmowej

Anteny wielopasmowe mogą spełniać wymagania istniejących zastosowań, a jednocześnie umożliwiać modernizację i współpracę z technologiami przyszłości, na przykład standardem 5G. Dlaczego warto rozważyć taką antenę, jeśli znane są parametry instalacji i specyfika? Istnieje kilka dobrych powodów:

• Jedna antena może być używana w całej gamie produktów przeznaczonych do różnych pasm, co upraszcza zarządzanie zapasami i procedury zaopatrzenia
• Wewnętrzna antena wielopasmowa oznacza mniejszą obudowę, natomiast antena zewnętrzna to mniejsza liczba złączy antenowych w obudowie produktu
• Antena wielopasmowa może obsługiwać urządzenia IoT, dla których zakłada się lub przewiduje przejście na nowe pasmo, np. standard 5G - czy to ze względu na parametry działania, czy wygaszanie dotychczasowych pasm i standardów
• Pojedyncza antena zewnętrzna dla wielu pasm pozwala uniknąć konieczności korzystania z wielu technik instalacyjnych i narzędzi
• W przypadku zastosowań stacjonarnych o znaczeniu krytycznym i zastosowań mobilnych, komponent radiowy urządzenia może zapewniać obsługę dwóch pasm, umożliwiając dynamiczne przełączanie pomiędzy pasmami w celu uzyskania optymalnych parametrów działania w danym regionie lub przy danym ustawieniu
• Projektanci mogą korzystać z jednej wewnętrznej anteny wielopasmowej w niepowiązanych urządzeniach, ale zyskać dzięki wykorzystaniu doświadczenia z modelowaniem anteny, jej rozmieszczeniem i potencjalnymi problemami produkcyjnymi

Rzeczywiste przykłady anten wielopasmowych

Pomimo charakterystyki szerokopasmowej anteny wielopasmowe nie mają ograniczeń pod względem wielkości lub typu zakończenia, co ilustrują trzy przykłady.

Antena AEBC1101X-S to komórkowa antena biczowa 5G/4G/LTE o długości 115mm i maksymalnej średnicy 19mm, przeznaczona do pracy w zakresie od 600MHz do 6GHz (ilustracja 2). Jest ona wyposażona w standardowe męskie złącze SMA, które może obracać się o 90° na potrzeby bezpośredniego montażu na obudowie produktu (może być również używane w połączeniu z przedłużaczem koncentrycznym). Dostępne jest również złącze SMA z odwróconą biegunowością.

Ilustracja 2: antena biczowa AEBC1101X-S 5G/4G/LTE jest przeznaczona do pracy w zakresie od 600MHz do 6GHz i wyposażona w zintegrowane złącze koncentryczne SMA o kącie obrotu 90°. (Źródło ilustracji: Abracon LLC)

Napięciowy współczynnik fali stojącej (VSWR) i szczytowy uzysk są względnie stałe w całym paśmie, chociaż występuje różnica sprawności pomiędzy dolnym i górnym zakresem częstotliwości (ilustracja 3).

Ilustracja 3: komórkową antenę biczową AEBC1101X-S 5G/4G/LTE charakteryzuje niewielka zmienność parametrów działania pomiędzy zakresem dolnym (od 600 do 960MHz) i górnym (od 1400 do 6000MHz). (Źródło ilustracji: Abracon LLC)

Charakterystyka promieniowania jest dość kołowa w całym paśmie, przy czym dla 3600MHz pojawiają się małe nierównomierności, uwypuklające się nieco bardziej przy częstotliwości 5600MHz (ilustracja 4).

Ilustracja 4: charakterystyka promieniowania X-Y dla anteny AEBC1101X-S zmienia się pomiędzy 3600 i 5600MHz, gdzie zaczynają pojawiać się niewielkie nierównomierności. (Źródło ilustracji: Abracon LLC)

Antena typu płetwowego AECB1102XS-3000S 5G/4G/LTE/NB-IoT/CAT przeznaczona jest również do pracy w zakresie od 600MHz do 6GHz i ma długość 115,6mm, szerokość 21,7mm oraz bardzo wąski profil - zaledwie 5,8mm (ilustracja 5). Została zaprojektowana z myślą o łatwym i wygodnym montażu na płaskiej powierzchni za pomocą taśmy samoprzylepnej.

Ilustracja 5: niskoprofilowa antena typu płetwowego AECB1102XS-3000S 5G/4G/LTE/NBIOT/CAT przeznaczona jest również dla częstotliwości od 600MHz do 6GHz i została zaprojektowana do wygodnego montażu na płaskiej powierzchni za pomocą taśmy samoprzylepnej. (Źródło ilustracji: Abracon LLC)

Jej parametry radiowe są podobne do anteny AEBC1101X-S: maksymalny współczynnik VSWR jest niższy od 3,5, jednak szczytowy uzysk jest nieco niższy przy 2dB w stosunku do promiennika izotropowego (dBi). Charakterystyka promieniowania w płaszczyźnie X-Y i X-Z jest również bardziej skomplikowana (ilustracja 6).

Ilustracja 6: charakterystyki promieniowania X-Z i Y-Z dla anteny typu płetwowego AECB1102XS-3000S wykazują bardziej złożony zbiór nierównomierności w porównaniu do anteny biczowej. (Źródło ilustracji: Abracon LLC)

Zauważalna różnica między antenami AEBC1101X-S i AECB1102XS-3000S tkwi w zakończeniach. Antena typu płetwowego AECB1102XS-3000S jest standardowo wyposażona w kabel koncentryczny LMR-100 o długości 1m (zastępuje kable typu RG174 i RG316) zakończony powszechnie stosowanym męskim złączem SMA. Można jednak zamówić kabel o praktycznie dowolnej długości, a oprócz złącz SMA są również dostępne standardowe warianty zapewniające elastyczność połączeń (ilustracja 7).

Ilustracja 7: standardowy kabel koncentryczny dla antenyAECB1102XS-3000S jest zakończony złączem SMA (M), ale dostępnych jest wiele innych opcji. (Źródło ilustracji: Abracon LLC)

Ceramiczna szerokopasmowa antena czipowa ACR4006X do częstotliwości od 600 do 6000MHz jest urządzeniem do montażu powierzchniowego o wymiarach zaledwie 40×6×5mm. Podczas pracy wymaga ona niewielkiego układu dopasowania impedancji w postaci cewki indukcyjnej i kondensatora (LC), zawierającego cewkę 8,2nH i kondensator 3,9pF (oba komponenty w rozmiarze 0402), w celu osiągnięcia żądanej impedancji 50Ω (ilustracja 8).

Ilustracja 8: ceramiczna szerokopasmowa antena czipowa ACR4006X do częstotliwości od 600 do 6000MHz ma wymiary podstawy 40×6mm i potrzebuje tylko dwóch niewielkich komponentów pasywnych w celu dopasowania impedancji 50Ω. (Źródło ilustracji: Abracon LLC)

Arkusz danych anteny ACR4006X wskazuje, że jest to urządzenie do częstotliwości od 600 do 6000MHz, ale należy zauważyć, że wykresy sprawności, uzysku szczytowego i uzysku średniego mają pewne luki (ilustracja 9). Jest to celowe, ponieważ ta antena wielopasmowa została zaprojektowana i zoptymalizowana pod kątem pracy w trzech konkretnych pasmach w tym zakresie: od 600 do 960MHz, od 1710 do 2690MHz i od 3300 do 6000MHz, obsługując przydziały 3G, 4G i 5G, a także kilka mniejszych przydziałów widma.

Ilustracja 9: wykresy sprawności i zysku energetycznego dla anteny ACR4006X do częstotliwości od 600 do 6000MHz pokazują luki, ale są one mało niepokojące dla użytkowników, ponieważ nie leżą w zakresie działania 3G, 4G i 5G. (Źródło ilustracji: Abracon LLC)

Ponieważ antena ACR4006X nie jest przeznaczona do odbiorników GPS, jej parametry działania nie są określone dla częstotliwości nośnych GPS 1575,42MHz (nośna L1) i 1227,6MHz (nośna L2).

Charakterystyka promieniowania X-Y anteny ACR4006X jest również funkcją częstotliwości, ale nadal zachowuje mniej więcej kołowy kształt w szerokim paśmie, z zaledwie kilkoma niewielkimi spadkami zysku energetycznego przy kątach 90° i 270° w dolnym zakresie częstotliwości (ilustracja 10).

Ilustracja 10: charakterystyka promieniowania X-Y anteny czipowej ACR4006X jest w przybliżeniu kołowa, ale wykazuje pewne, zależne od częstotliwości spadki zysku energetycznego przy 90° i 270°. (Źródło ilustracji: Abracon LLC)

Ewaluacja parametrów działania anteny rozpoczyna się od arkusza danych, po czym często następuje potwierdzenie za pomocą komory bezechowej, a na końcu wykonywane są próby terenowe z produktem końcowym. Czynnikami wpływającymi na rzeczywiste parametry działania anteny zewnętrznej są: obudowa, ciało i dłonie użytkownika w przypadku urządzeń przenośnych oraz lokalizacja i położenie anteny. Jest ona w dużej mierze oddzielona od wewnętrznego układu płytki drukowanej produktu.

Natomiast działanie urządzenia wewnętrznego, takiego jak antena czipowa ACR4006X zależy od pobliskich komponentów i płytki drukowanej. Z tego względu firma Abracon oferuje płytkę ewaluacyjną ACR4006X-EVB, która daje możliwość inżynieryjnej ewaluacji opisywanej anteny czipowej.

Płytka jest używana w połączeniu z wektorowym analizatorem sieci (VNA). Po wstępnej kalibracji konfiguracji - która jest standardowym krokiem w większości prób z użyciem wektorowego analizatora sieci (VNA) - parametry działania anteny ocenia przez skalibrowany port VNA za pomocą złącza SMA na płycie.

Płytka ewaluacyjna ma wymiary 120×45mm i jest precyzyjnie zwymiarowana pod kątem prawidłowego umieszczenia anteny czipowej. W celu zapewnienia prawidłowego działania okolic anteny stosowany jest wymagany prześwit między metalem a podłożem o wymiarach 45×13mm (ilustracja 11).

Ilustracja 11: płytka ewaluacyjna ACR4006X-EVB mierzy zaledwie 120×45 mm i umożliwia ewaluację anteny czipowej za pośrednictwem złącza SMA. Arkusz danych przedstawia krytyczne obszary i wymiary układu. (Źródło ilustracji: Abracon LLC)

Podsumowanie

Anteny wielopasmowe są w stanie sprostać wyzwaniom urządzeń IoT, zwłaszcza tych, które obecnie wymagają obsługi pojedynczego pasma, zapewniając jednocześnie bardziej płynną ścieżkę ewolucji do nowszych standardów, takich jak 5G. Pozwalają one również układowi na obsługę wielu pasm w celu optymalizacji parametrów działania w strefach, w których łączność nie jest jednopasmowa. Wbudowane anteny wewnętrzne firmy Abracon zapewniają smuklejszy wygląd zewnętrzny rozwiązania, natomiast anteny zewnętrzne wykorzystujące zintegrowane złącze do częstotliwości radiowych (RF) lub kabel koncentryczny zapewniają elastyczność w rozmieszczeniu w celu uzyskania optymalnej ścieżki sygnału.