Zastosowanie wytrzymałych anten wielopasmowych w celu rozwiązania problemów łączności mobilnej

Obok smartfonów i urządzeń Internetu rzeczy (IoT) innym ważnym motorem napędowym mobilnej łączności bezprzewodowej jest branża transportowa, obejmująca m.in. transport kolejowy, samochodowy oraz śledzenie aktywów. W tego typu zastosowaniach mamy do czynienia z unikalnym zestawem istotnych wymagań dla anten systemowych, takich jak drgania, wstrząsy, skrajne temperatury, deszcz, wilgotność, a także potrzeba działania w szerokich pasmach, a nawet wielu pasmach, przy jednoczesnym zapewnieniu stałych parametrów działania.

Mimo że możliwe jest zaprojektowanie i zbudowanie odpowiedniej anteny, w niemal wszystkich wymagających zastosowaniach najbardziej sensowne jest użycie standardowego, odpowiednio zaprojektowanego, dobrze zbudowanego gotowego urządzenia, dla którego dostępna jest pełna specyfikacja techniczna. Zmniejsza to koszty i czas prac rozwojowych, jednocześnie zwiększając poziom zaufania do ostatecznego projektu.

W niniejszym artykule omówiono problemy związane z projektowaniem anten dla branży transportowej. Przedstawiono w nim dwie anteny wielopasmowe firmy TE Connectivity przeznaczone do montażu na powierzchni obudowy, w tym zarówno zwykłej obudowy, jak i ewentualnie na zewnątrz poruszającego się pojazdu.

Potrzeba matką wynalazków

Antena jest ważnym „pośrednikiem” pomiędzy obwodem elektronicznym a polem elektromagnetycznym w otwartej przestrzeni, a więc często jest najbardziej odsłoniętym elementem konstrukcji. Mimo to musi zapewniać wymagane parametry elektryczne i radiowe pomimo trudnych warunków otoczenia, wykorzystując obudowę spójną z ogólną konstrukcją systemu.

W przypadku systemów transportowych, a zwłaszcza kolei pasażerskich wysokich prędkości, musi być ona również dobrze zintegrowana z aerodynamiczną obudową, która będzie wykazywać minimalny opór powierza oraz zapewni ochronę przed niekorzystnymi warunkami atmosferycznymi (ilustracja 1). Podobne ograniczenia pojawiają się w sytuacjach, w których antena musi odbierać sygnały globalnego systemu nawigacji satelitarnej (GNSS).

Ilustracja 1: w przypadku mobilnych instalacji w zastosowaniach, gdzie występują duże prędkości, takich jak pociągi, w których wyzwaniem jest odporność na wiatr i wpływ otoczenia, oczekiwanym rozwiązaniem jest łączność mobilna korzystająca z różnych standardów i pasm. (Źródło ilustracji: TE Connectivity)

Optymalna antena będzie stanowić staranne połączenie specyficznej dla danego zastosowania charakterystyki, w tym wymaganych charakterystyk promieniowania, prawidłowego dopasowania impedancji, niskiego napięciowego współczynnika fali stojącej (VSWR), integralności mechanicznej, adekwatnej obudowy i łatwych w wykonaniu połączeń elektrycznych. W wielu przypadkach istnieje również potrzeba poprawy ścieżki sygnału i zmaksymalizowania stosunku sygnału do szumu (SNR) poprzez zastosowanie aktywnej anteny ze zintegrowanym wzmacniaczem niskoszumnym (LNA).

Podobnie jak w przypadku wszystkich komponentów, istnieją pewne priorytetowe parametry używane do scharakteryzowania prawie wszystkich konstrukcji i instalacji antenowych, a także innych, które mogą być mniej lub bardziej krytyczne w danej sytuacji. W przypadku anten kluczowe znaczenie mają charakterystyki promieniowania i parametry działania w określonym paśmie.

Zasady wdrażania anten

Orientacja anten używanych w transporcie i śledzeniu aktywów stanowi wyzwanie, ponieważ jest losowa i zmienna, co sprawia, że ważne jest, aby mieć jednolitą, dookólną charakterystykę kierunkowości działania anteny zarówno w górę, jak i w boki, w całym określonym paśmie.

Na przykład podwójna antena 1-2309605-1 M2M MiMo LTE firmy TE Connectivity jest przeznaczona do pasm od 698 do 960MHz oraz od 1710 do 3800MHz i obsługuje standardy 2G, 3G, 4G, komórkowe, GSM oraz LTE (ilustracja 2). Dla tej listy standardów pojedyncza antena może być skuteczna, ponieważ jest niezależna od formatu sygnału i obsługiwanego standardu; jej konstrukcja jest przede wszystkim zależna od częstotliwości, szerokości pasma i mocy.

Ilustracja 2: pojedynczy moduł antenowy 1-2309605-1 firmy TE Connectivity składa się z dwóch niezależnych anten - jedna przeznaczona jest do pracy z częstotliwością od 698 do 960MHz, a druga do pracy z częstotliwością od 1710 do 3800MHz. (Źródło ilustracji: TE Connectivity)

Należy pamiętać, że antena „podwójna” to nie to samo co antena „dwupasmowa”. Podwójna antena, taka jak 1-2309605-1, posiada dwie niezależne anteny w jednej obudowie i własne zasilanie. Natomiast moduł dwupasmowy jest pojedynczą anteną z jednym zasilaniem, zaprojektowaną do obsługi dwóch (co najmniej) pasm.

Patrząc na antenę dolnopasmową 1-2309605-1, jej charakterystyka promieniowania dla orientacji górnej i bocznej jest jednorodna w całej szerokości pasma, od dolnego końca przy częstotliwości około 700MHz, aż do górnych częstotliwości o wartości około 900MHz (ilustracja 3).

Ilustracja 3: wykresy bocznego (po lewej) i górnego (po prawej) zysku energetycznego anteny 1-2309605-1 przy częstotliwości 700MHz, 800MHz i 900MHz (odpowiednio górny, środkowy i dolny rząd) ukazują dość jednorodną charakterystykę promieniowania. (Źródło ilustracji: TE Connectivity)

Przy częstotliwości 700MHz (dolna granica pasma częstotliwości), zysk energetyczny anteny w decybelach w stosunku do anteny izotropowej (dBi) - czyli standardowa miara kierunkowości anteny - wynosi tylko 1,5dBi, co oznacza dość jednorodną charakterystykę promieniowania. Ta jednorodność i równomierność zapewnia spójne parametry działania, niezależnie od orientacji anteny. Ponadto, charakterystyka promieniowania dla granicy wyższej częstotliwości 900MHz jest również dość równomierna przy zysku energetycznym anteny zaledwie 4,5dBi.

Kolejnym ważnym parametrem anteny jest napięciowy współczynnik fali stojącej (VSWR), który formalnie definiuje się jako stosunek maksymalnego napięcia do napięcia minimalnego lub stosunek pomiędzy transmitowanymi i odbitymi stojącymi falami napięcia na bezstratnej linii przesyłowej. W idealnym przypadku VSWR będzie mieć wartość 1:1. Chociaż jest to często trudne do osiągnięcia, zazwyczaj dopuszczalna jest praca przy VSWR na poziomie niskich wartości jednocyfrowych.

W przypadku podwójnej anteny 1-2309605-1 M2M MiMo LTE, która może obsłużyć do 20W mocy nadawania, maksymalna wartość VSWR mierzona przy użyciu kabla RG174 o długości 3m wynosi około 3:1 na jednym końcu i jest zbliżona do 1,5:1 przez większość pasm roboczych (ilustracja 4). Ogólnie rzecz biorąc, jest to wartość wystarczająco niska dla wielu zakładanych zastosowań docelowych.

Ilustracja 4: napięciowy współczynnik fali stojącej (VSWR) (oś pionowa) dla podwójnej anteny 1-2309605-1 M2M MiMo LTE, mierzony przy użyciu kabla RG174 o długości 3m, ma niską wartość w całym zakresie częstotliwości aktywnych (oś X). (Źródło ilustracji: TE Connectivity)

Na ilustracji 4 kolorem zielonym znaczono element nr 1 o niższej częstotliwości, kolorem czerwonym oznaczono element nr 2 o wyższej częstotliwości, a kolorem czarnym oznaczono elementy nr 1 i 2 w otwartej przestrzeni. Kolor niebieski natomiast to elementy nr 1 i 2 na przeciwwadze anteny 400×400mm.

Anteny współlokalizowane

Możliwe jest współzlokalizowanie dwóch lub więcej oddzielnych anten w celu pokrycia wielu pasm. Może to jednak prowadzić do kilku problemów. Po pierwsze, istnieje oczywisty problem dotyczący miejsca i mocowań wymaganych na panelu lub innej powierzchni, a także związanych z tym kosztów instalacji. Po drugie, istnieją obawy co do interakcji elektromagnetycznych pomiędzy antenami, które będą miały wpływ na ich charakterystyki i parametry działania. Ogranicza to sposób, w jaki można je umieścić względem siebie. Taka interakcja jest mierzona jako izolacja anteny i określa, w jakim stopniu antena odbiera promieniowanie z innej anteny.

Rozwiązaniem tego dylematu jest użycie pojedynczej anteny, która zawiera wiele anten w jednej obudowie. Zmniejsza to ogólne wymiary rozwiązania, upraszcza instalację i sposób prowadzenia kabli antenowych, a także zapewnia opływowy wygląd zewnętrzny.

Z elektrycznego punktu widzenia oznacza to, że izolacja między antenami może być zmierzona i określona z wyprzedzeniem, co zmniejsza obawy o nieoczekiwane lub nieprzewidziane interakcje. W przypadku podwójnej anteny 1-2309605-1 M2M MiMo LTE izolacja wynosi co najmniej 15dB i jest największa w pobliżu środka obu pasm, które obsługuje urządzenie (ilustracja 5).

Ilustracja 5: izolacja (oś y, dB) między dwiema antenami w podwójnym module antenowym 2309605-1 M2M MiMo LTE mierzona w funkcji częstotliwości (oś x, MHz) wynosi co najmniej 15dB. (Źródło ilustracji: TE Connectivity)

Funkcja aktywnej anteny odbiorczej

Wiele zastosowań, m.in. śledzenie aktywów, oprócz obsługi dwóch pasm (funkcja realizowana przez podwójną antenę 1-2309605-1), wymaga również odbioru sygnałów z globalnego systemu nawigacji satelitarnej - GPS (USA), Galileo (Europa) i Beidou (Chiny) - w celu uzyskania informacji o pozycji lub czasie. Aby uprościć to zadanie i uniknąć konieczności stosowania dodatkowej dyskretnej anteny zewnętrznej, firma TE oferuję antenę 1-2309646-1. W tym modelu do dwóch anten modułu dwuantenowego dołożono trzecią antenę odbiorczą sygnału GNSS o częstotliwości od 1562 do 1612MHz.

Jednak potrzeba odbioru sygnałów GNSS stanowi kolejne wyzwanie dla projektanta układu, które sprowadza się do podstaw funkcji transmisji i odbioru. W czasie nadawania, antena i jej linia zasilająca znajdują się w sytuacji deterministycznej. Odbierają one znany, kontrolowany, dobrze zdefiniowany sygnał ze wzmacniacza mocy nadajnika (PA) i nadają go. Wewnętrzne szumy sygnału, zakłócenia wewnątrzpasmowe czy sygnały zlokalizowane poza pasmem między wzmacniaczem mocy i anteną nie stanowią raczej zbyt dużego problemu.

Ze względu na zasadę wzajemności, która ma zastosowanie do wszystkich anten, do nadawania i odbioru może być używana ta sama antena fizyczna. Jednak warunki pracy dla odbioru są zupełnie inne niż dla nadawania. Ponieważ antena próbuje przechwycić zawierający niewiadome sygnał przy obecności wewnątrzpasmowych lub nawet pozapasmowych zakłóceń i szumów, pożądany odbierany sygnał nie jest deterministyczny, ponieważ ma wiele cech losowych.

Ponadto siła odbieranego sygnału jest niska (rzędu mikrowoltów do kilku miliwoltów), podobnie jak SNR. W przypadku sygnałów GNSS moc sygnału odbieranego wynosi zazwyczaj od -127 do -25dB w stosunku do jednego miliwata (dBm), podczas gdy stosunek sygnału do szumu (SNR) wynosi zazwyczaj od 10 do 20dB. Tak słaby sygnał zostanie stłumiony z powodu strat na kablu pomiędzy anteną a układem front-end odbiornika, a wskutek nieuniknionego szumu (m.in. termicznego) w kablu transmisyjnym jego SNR również ulegnie pogorszeniu.

Z tych powodów w module antenowym 1-2309646-1 dla trzeciej anteny GNSS służącej tylko do odbioru przewidziano wzmacniacz niskoszumny (LNA). Wzmacniacz LNA zapewnia wzmocnienie 42dB dla sygnałów GNSS, co znacznie poprawia siłę odbieranego sygnału. Aby uprościć korzystanie ze wzmacniacza LNA, przewidziano dla niego zasilanie (od 3 do 5V=, przy maks. natężeniu 20mA) za pośrednictwem kabla koncentrycznego do wzmocnionych sygnałów o częstotliwości radiowej, wykorzystującego sprawdzoną technikę nakładania.

Zasilanie prądem stałym jest zapewniane za pomocą kabla łączącego odbiornik z konwerterem LNB (ilustracja 6). Dotarciu prądu stałego zasilającego wzmacniacz LNA (V1) do głównego modułu radiowego (układ front end) zapobiegają niewielkie, połączone szeregowo kondensatory (C1 i C2). Te kondensatory pozwalają na przekazywanie wzmocnionego sygnału o częstotliwości radiowej (RF) z anteny (ANT1) do głównego modułu radiowego (OUT). Jednocześnie powrót wzmocnionego sygnału o częstotliwości radiowej do zasilania V1 blokują szeregowo połączone cewki indukcyjne (dławiki) L1 i L2. W ten sposób połączeniowy kabel koncentryczny może zasilać wzmacniacz LNA prądem stałym i przesyłać wzmocniony sygnał o częstotliwości radiowej ze wzmacniacza LNA do głównego modułu radiowego.

Ilustracja 6: zasilanie stałoprądowe wzmacniacza LNA anteny można nałożyć na kabel przenoszący sygnał wyjściowy anteny/wzmacniacza LNA przy użyciu sprytnego układu cewek indukcyjnych i kondensatorów, które oddzielają i izolują zasilanie prądem stałym od sygnału o częstotliwości radiowej na każdym końcu. (Źródło ilustracji: Electronics Stack Exchange)

Wykonywanie fizycznego podłączenia

Każda antena lub zespół elementów antenowych musi umożliwiać podłączenie do obsługiwanego radiowego układu front-end i odłączenie od niego w sposób niezawodny, wygodny i bezpieczny elektrycznie oraz mechanicznie. Ponadto cały zespół antenowy musi być chroniony przed wpływem czynników środowiskowych i łatwy do zamontowania przy minimalnym wpływie na powierzchnię montażową.

Aby osiągnąć te cele, w dwupasmowym module antenowym 1-2309605-1 i trójpasmowym module antenowym 1-2309646-1 dla każdego pasma przewidziano 3-metrowy kabel koncentryczny RG-174 zakończony standardową wtyczką SMA (ilustracja 7). W rezultacie podłączenie lub odłączenie jednej lub kilku anten jest proste i można je łatwo przeprowadzić w fabryce podczas montażu układu, a także w terenie.

Ilustracja 7: poszczególne anteny w modułach antenowych 1-2309605-1 i 1-2309646-1 mają własne kable koncentryczne RG-174 z wtyczką SMA, co ułatwia instalację, mocowanie, testowanie i demontaż w razie potrzeby. (Źródło ilustracji: TE Connectivity)

Ponadto mocowanie modułu wieloantenowego do powierzchni układu jest ułatwione poprzez zastosowanie pojedynczego wewnętrznego sworznia montażowego o długości 18mm oraz akrylowej podkładki samoprzylepnej wokół dolnej krawędzi obudowy anteny. Sposób mocowania anteny jest szybki i gwarantuje, że żadne elementy nie pozostaną na wierzchu, gdzie mogłyby być narażone na rdzę, nie będą poluzowane ani niepoprawnie dokręcone.

Obudowa omawianych anten jest zoptymalizowana pod kątem zastosowań, gdzie występuje ruch o dużej szybkości. Opływowy moduł ma zaledwie 45mm szerokości i 150mm długości oraz zaokrąglone krawędzie (przypomina „płetwę rekina” znaną z samochodów), co poprawia jego aerodynamikę minimalizuje opór wiatru. Ponadto dzięki uodpornieniu na promieniowanie ultrafioletowe (UV) działanie promieni słonecznych nie osłabi materiału obudowy z upływem czasu.

Podsumowanie

Mobilna, szybka, wielopasmowa łączność bezprzewodowa do zastosowań w transporcie wymaga zespołu antenowego, który może spełnić wymagania elektryczne, środowiskowe i mechaniczne. Moduły dwuantenowe firmy TE Connectivity zawierają anteny dolnopasmowe i górnopasmowe, a moduły trzyantenowe dodatkowo anteny pasma GNSS oraz wzmacniacz niskoszumny (LNA). Omawiane moduły posiadają indywidualne kable koncentryczne i złącza dla poszczególnych anten oraz charakteryzują się prostym montażem powierzchniowym lub tablicowym, co ułatwia instalację i zapewnia kluczową ochronę przed oddziaływaniem otoczenia.

Powiązane treści

1. TE Connectivity, „Anteny”
2. DigiKey, „Z dala od kabli: ewolucja anten i dostosowanie ich do wysokich wymagań łączności bezprzewodowej”
3. DigiKey, „Dlaczego dobry wzmacniacz niskoszumny stanowi klucz do opłacalnego antenowego układu front end”