Jak obsloužit starší i 5G bezdrátové sítě IoT pomocí širokopásmových antén

Kromě vysoce viditelných chytrých telefonů pro spotřebitele se bezdrátová spojení založená na síti 5G zaměřují na různé vestavěné aplikace, jako je internet věcí („Internet of Things“, IoT), propojení mezi stroji („Machine-To-Machine“, MTM), chytrá síť, prodejní automaty, brány, routery, zabezpečení a konektivita vzdáleného monitorování. K tomuto přechodu na 5G však nedojde přes noc. Vytváří se tak potřeba antén na front-endu bezdrátového komunikačního spojení, které dokáží obsluhovat 5G stejně jako starší 2G, 3G a další jiné než 5G spojení a které zůstanou na místě i v nadcházejících letech, i když se 5G rozšíří.

Z těchto důvodů musí technici navrhovat produkty pro pásma navíc kromě těch, které podporují standardy 5G. I když se interní RF front-end nebo výkonový zesilovač pro jednotlivá pásma liší, je výhodné mít jednu širokopásmovou anténu, která obsluhuje 5G i starší pásma.

V tomto článku je pojednáno o širokopásmových anténách, které obsluhují spektrum 5G v nižším pásmu a také starší pásma, a jsou zde uvedena názorná zařízení od společnosti Abracon LLC. V článku je ukázáno, jak použití tohoto typu antény – ať už jako viditelných externích zařízení, nebo interních vestavěných – může usnadnit návrh, zjednodušit kusovník (BOM) a v případě potřeby usnadnit instalaci upgradu na 5G.

Začněte s pásmy dle předpisů

Antény jsou posledním prvkem cesty RF vysílaného signálu a prvním prvkem cesty komplementárního přijímače. Funkcí antény je být převodníkem mezi světem obvodu proudu a napětí a RF světem vyzařované energie a elektromagnetických polí.

Při výběru antény pro cílovou aplikaci je důležité mít na paměti, že anténa funguje bez ohledu na typ modulace nebo průmyslový standard, pro který je používána. Žádný z parametrů používaných pro výběr antény – jako je střední frekvence, šířka pásma, zisk, jmenovitý výkon nebo fyzická velikost – není funkcí toho, zda se anténa používá pro signály amplitudové, frekvenční nebo fázové modulace (AM, FM, PM), signály 3G, 4G, 5G nebo dokonce pro vlastní formáty signálu.

Návrhům systémů pro vznikající aplikace, které podporují standardy 5G, je samozřejmě věnována značná pozornost, zejména u pásem 5G pod 6 GHz, kde se odehrává většina aktivit 5G. Je důležité rozlišovat mezi bezdrátovým standardem, který systém podporuje, a frekvencí a použitým spektrem, které určují výběr antény.

Nové standardy 5G využívají dříve nedostupné segmenty spektra a zároveň využívají části již používaného spektra začleněním modulačních schémat vyšší úrovně pro vyšší propustnost. Zatímco tedy podpora oboru a operátorů stávajícího standardu může být postupně ukončena (nebo nastane její „soumrak“), jako pro 3G v roce 2022, některé části spektra používaného 3G se budou stále využívat pro 4G a dokonce i pro 5G (obrázek 1).

Obrázek 1: Frekvence mezi 600 a 6 000 MHz podporují více standardů, jako je 3G, 4G a 5G, s určitým překrýváním spektra. (Zdroj obrázku: společnost Abracon LLC)

To znamená, že antény podporující pásma 3G nebo 4G mohou být stále životaschopné i pro 5G a naopak. Standard se může přestat používat, ale jeho anténa nikoli a je možná kompatibilita antény směrem vpřed/vzad. Ve všech těchto případech je opětovné použití antény, která podporuje více standardů a pásem, praktickým a často žádoucím řešením.

Mezi další důležité standardy v RF spektru od 600 MHz po 6 GHz patří:

• Občanská širokopásmová rádiová služba („Citizens Broadband Radio Service“, CBRS), mírně regulovaný 150 MHz široký segment v rozsahu 3 550 MHz až 3 700 MHz (3,5 GHz až 3,7 GHz). Ve Spojených státech určila Federální komise pro komunikaci („Federal Communications Commission“, FCC) tuto službu pro sdílení mezi třemi úrovněmi uživatelů: uživatelé s oprávněním držení, uživatelé s licencí s prioritním přístupem („Priority Access License“, PAL) a uživatelé s obecným autorizovaným přístupem („General Authorized Access“, GAA).
• LTE-M, zkratka pro LTE Cat-M1 (často nazýváno CAT M) nebo Long-Term Evolution (4G), kategorie M1. Tato technologie umožňuje zařízením IoT napájeným bateriemi se slabým provozním cyklem připojit se přímo k síti 4G bez brány.
• Narrowband-IoT (NB-IoT) je bezdrátová technologie celulární úrovně, která v rámci zastřešení 3G využívá ortogonální multiplex s frekvenčním dělením („Orthogonal Frequency Division Multiplexing“, OFDM). Jde o iniciativu projektu partnerství třetí generace („Third Generation Partnership Project“, 3GPP) – organizace stojící za standardizací celulárních systémů – s cílem řešit potřeby zařízení s velmi nízkou přenosovou rychlostí, která se potřebují připojovat k mobilním sítím a která jsou také často napájena bateriemi.

Raději zde uvádím poznámku k termínům „širokopásmové“ a „vícepásmové“, protože existuje možnost záměny a nejednoznačnosti. Termín „širokopásmová“ označuje anténu se šířkou pásma, která je významnou částí její střední frekvence. I když neexistuje žádná formální definice tohoto čísla, neformálně to obvykle znamená šířku pásma, která je alespoň 20 až 30 procenty střední frekvence. Naproti tomu termín „vícepásmová“ se používá pro anténu, která je navržena tak, aby podporovala dvě nebo více pásem definovaných zákonnými předpisy. Tato pásma mohou být blízko sebe nebo široce oddělená.

Extrémním příkladem vícepásmové antény by byla anténa, která současně funguje pro vysílání AM (550 až 1 550 kHz) a vysílání FM (88 až 108 MHz). Vícepásmová anténa může být širokopásmová, ale nemusí tomu tak být.

Bez ohledu na počet, rozteč a šířku pásma, které vícepásmová anténa podporuje, má jedno RF připojení, i když uvnitř může obsahovat dvě nebo více různých kombinovaných antén. Na rozdíl od jednodušší širokopásmové antény může být vícepásmová anténa ve skutečnosti navržena se záměrnými mezerami v pokrytí zisku napříč šířkou pásma, aby se minimalizovalo rušení společného kanálu.

Interní nebo externí anténa

Standard bezdrátového připojení, pro který je anténa používána, není otázkou provedení antény, ale frekvence a šířka pásma jsou rozhodně faktory, které činí z fyzické implementace antény důležité rozhodnutí. Jedním z hlavních konstrukčních úvah je, zda použít externí anténu nebo anténu zabudovanou do koncového produktu.

Interní antény mají tyto vlastnosti:

• Umožňují elegantnější pouzdro bez externích doplňků, které by se mohly rozbít nebo zachytit.
• Vestavěná anténa je vždy připojena a k dispozici.
• Mají svá vlastní omezení s ohledem na pokrytí, účinnost, vyzařovací diagramy a další kritéria výkonu.
• Výkon vestavěné antény bude ovlivněn sousedními obvody, takže její umístění úzce souvisí s velikostí desky plošných spojů, rozložením, součástkami a celkovým uspořádáním.
• Ruka nebo tělo uživatele může způsobit změny v diagramu antény, účinnosti a výkonu.

Naproti tomu externí antény mají tyto charakteristiky:

• Nabízejí větší potenciál pro přizpůsobení vyzařovacích diagramů, šířky pásma a zisku, protože mají více stupňů volnosti provedení.
• Nemusí být připojeny k zařízení IoT/RF a lze je optimálně umístit v malé vzdálenosti a připojit pomocí koaxiálního kabelu.
• Jsou méně ovlivněny elektrickými aspekty provedení a pouzdra produktu nebo jimi nejsou ovlivněny vůbec.
• Jsou dostupné v několika stylech a konfiguracích.
• Pro připojení vyžadují konektor nebo kabel, což může být místo selhání.

Volba mezi externí a interní anténou se obvykle rozhoduje podle více faktorů. Patří mezi ně aplikace koncového produktu a preference uživatele vyvážené podle výkonu a toho, zda bude anténa používána v mobilní nebo pevné situaci. Například chytrý telefon s externí anténou může být považován za nepohodlný. Naproti tomu uzel IoT na pevném místě s externí a možná mírně vzdálenou anténou by mohl poskytovat lepší a konzistentnější připojení.

Výhody vícepásmových antén

Vícepásmové antény mohou uspokojit stávající aplikace a zároveň být provedením odolným do budoucna pro upgrady včetně konektivity 5G. Proč ale o takové anténě uvažovat, když jsou známy parametry a specifika instalace? Je k tomu několik dobrých důvodů:

• Jediná anténa může být použita v celé řadě produktů zaměřených na různá pásma, čímž se zjednoduší správa a nákup skladových zásob.
• Interní vícepásmová anténa vede k menšímu pouzdru, zatímco externí snižuje počet anténních konektorů na krytu produktu.
• Vícepásmová anténa může obsluhovat zařízení IoT, u kterého je možný nebo se předpokládá upgrade na nové pásmo, jako je 5G, ať už z důvodů výkonu, nebo zrušení stávajícího pásma a standardu.
• Jedna externí anténa pro více pásem nabízí jednotnost s ohledem na instalační techniky a nástroje.
• Pro kritické pevné a zejména mobilní aplikace může RF část zařízení poskytovat podporu dvou pásem, což umožňuje zařízení dynamicky přepínat mezi pásmy pro optimální výkon v daném místě nebo nastavení.
• Konstruktéři mohou používat jedinou interní vícepásmovou anténu v nesouvisejících zařízeních, ale výhodou je, že zúročí své zkušenosti s modelováním antény, umístěním a možnými problémy s výrobou.

Příklady vícepásmových antén v reálném světě

Navzdory svému širokopásmovému výkonu nejsou vícepásmové antény omezeny tvarovým faktorem nebo typem zakončení, jak ilustrují následující tři příklady.

Model AEBC1101X-S je celulární prutová anténa 5G/4G/LTE, která měří 115 mm na délku s maximálním průměrem 19 mm a která je navržená pro provoz v pásmu 600 MHz až 6 GHz (obrázek 2). Dodává se se standardním samčím konektorem SMA, který lze otočit o 90° pro přímou montáž na kryt produktu (lze ji také použít s prodlužovacím koaxiálním kabelem). K dispozici je také konektor SMA s obrácenou polaritou.

Obrázek 2: Celulární prutová anténa 5G/4G/LTE AEBC1101X-S je navržena pro provoz v pásmu 600 MHz až 6 GHz a je dodávána s integrovaným koaxiálním konektorem SMA s rotací 90°. (Zdroj obrázku: společnost Abracon LLC)

Její poměr napětí stojatých vln („Voltage Standing Wave Ratio“, VSWR) a výkon špičkového zesílení jsou poměrně konstantní v celém pásmu, i když mezi spodním a horním frekvenčním rozsahem dochází k posunu účinnosti (obrázek 3).

Obrázek 3: Celulární prutová anténa 5G/4G/LTE AEBC1101X-S má mírné změny ve výkonu mezi nižším (600–960 MHz) a vyšším (1 400–6 000 MHz) rozsahem. (Zdroj obrázku: společnost Abracon LLC)

Vyzařovací diagram je v celém pásmu poměrně kruhový s některými malými laloky vznikajícími při 3 600 MHz, které jsou o něco zřetelnější při 5 600 MHz (obrázek 4).

Obrázek 4: Vyzařovací diagram X-Y pro anténu AEBC1101X-S se mění mezi 3 600 a 5 600 MHz s výskytem některých laloků. (Zdroj obrázku: společnost Abracon LLC)

Lopatková anténa 5G/4G/LTE/NB-IoT/CAT AECB1102XS-3000S, rovněž pro provoz v pásmu 600 MHz až 6 GHz, měří 115,6 mm na délku a 21,7 mm na šířku s velmi tenkým profilem pouhých 5,8 mm (obrázek 5). Je navržena pro snadnou a pohodlnou instalaci na rovném povrchu pomocí lepicí pásky.

Obrázek 5: Lopatková anténa 5G/4G/LTE/NBIOT/CAT AECB1102XS-3000S, také pro 600 MHz až 6 GHz, je nízkoprofilová anténa navržená tak, aby se dala pohodlně připevnit k rovnému povrchu jednoduše pomocí lepicí pásky. (Zdroj obrázku: společnost Abracon LLC)

Její RF výkon je podobný jako u modelu AEBC1101X-S s maximálním VSWR pod 3,5, ale špičkový zisk je při 2 decibelech o něco nižší ve srovnání s izotropním zářičem (dBi). Složitější je také vyzařovací diagram v rovině X-Y a X-Z (obrázek 6).

Obrázek 6: Vyzařovací diagramy X-Z a Y-Z pro lopatkovou anténu AECB1102XS-3000S ukazují složitější sadu laloků než u prutové antény. (Zdroj obrázku: společnost Abracon LLC)

Značný rozdíl mezi modelem AEBC1101X-S a AECB1102XS-3000S je v dostupných zakončeních. Lopatkové zařízení AECB1102XS-3000S se standardně dodává s 1metrovým koaxiálním kabelem LMR-100 (nahrazuje typy kabelů RG174 a RG316) zakončeným široce používaným samčím konektorem SMA. Lze však objednat téměř libovolnou délku kabelu a jako standardní možnosti jsou pro flexibilitu připojení nabízeny také jiné typy konektorů než SMA (obrázek 7).

Obrázek 7: Standardní koaxiální kabel pro anténu AECB1102XS-3000S je zakončen konektorem SMA (M – samčím), ale je nabízeno mnoho dalších konektorů. (Zdroj obrázku: společnost Abracon LLC)

Širokopásmová keramická čipová anténa ACR4006X 600 až 6 000 MHz je zařízení pro povrchovou montáž o rozměrech pouhých 40 × 6 × 5 mm na výšku. Při provozu vyžaduje malou síť s impedančním přizpůsobením induktor-kondenzátor (LC) skládající se z induktoru 8,2 nH a kondenzátoru 3,9 pF (každý o velikosti 0402), aby bylo dosaženo požadované impedance 50 Ω (obrázek 8).

Obrázek 8: Širokopásmová keramická čipová anténa ACR4006X 600 až 6 000 MHz má půdorys pouhých 40 × 6 mm a vyžaduje pro impedanční přizpůsobení 50 Ω pouze dvě malé pasivní součástky. (Zdroj obrázku: společnost Abracon LLC)

V katalogovém listu antény ACR4006X se uvádí, že se jedná o zařízení pro 600 až 6 000 MHz, ale všimněte si, že grafy její účinnosti, špičkového zisku a průměrného zisku mají určité mezery (obrázek 9). Je to záměrné, protože tato vícepásmová anténa je navržena a optimalizována pro výkon ve třech specifických pásmech v tomto rozsahu: 600 až 960 MHz, 1 710 až 2 690 MHz a 3 300 až 6 000 MHz pro podporu alokací 3G, 4G a 5G, jakož i nějaká menší přidělení spektra.

Obrázek 9: Grafy účinnosti a zisku pro anténu ACR4006X od 600 do 6 000 MHz vykazují mezery, ty však nejsou pro uživatele příliš důležité, protože nejsou v provozních pásmech 3G, 4G a 5G. (Zdroj obrázku: společnost Abracon LLC)

Vzhledem k tomu, že model ACR4006X není určen pro přijímače GPS, jeho výkon není specifikován na nosných frekvencích GPS 1 575,42 MHz (nosná frekvence L1) a 1 227,6 MHz (nosná frekvence L2).

Vyzařovací diagram X-Y antény ACR4006X je také funkcí frekvence, ale stále si zachovává zhruba kruhový tvar v celém svém širokém pásmu, pouze s několika mírnými poklesy zisku při 90° a 270° v jeho spodním frekvenčním rozsahu (obrázek 10).

Obrázek 10: Vyzařovací diagram X-Y čipové antény ACR4006X je zhruba kruhový, ale s určitými frekvenčně závislými poklesy zisku při 90° a 270°. (Zdroj obrázku: společnost Abracon LLC)

Hodnocení výkonu antény začíná katalogovým listem, často následuje ověření s využitím bezodrazové komory a nakonec testy v terénu s konečným produktem. Faktory, které ovlivňují skutečný výkon externí antény, jsou kryt, tělo a ruce uživatele u mobilních zařízení a poloha a umístění antény. Anténa je do značné míry oddělena od vnitřního uspořádání desky plošných spojů produktu.

Naproti tomu výkon interní jednotky, jako je čipová anténa ACR4006X, je ovlivněn sousedními součástkami a deskou plošných spojů. Z tohoto důvodu nabízí společnost Abracon vyhodnocovací desku ACR4006X-EVB, která poskytuje prostředky pro usnadnění technického vyhodnocení této čipové antény.

Deska se používá ve spojení s vektorovým síťovým analyzátorem („Vector Network Analyzer“, VNA). Po úvodní kalibraci konfigurace (standardní krok ve většině testů VNA) je výkon antény vyhodnocován prostřednictvím kalibrovaného portu VNA pomocí konektoru SMA na desce.

Vyhodnocovací deska má rozměry 120 × 45 mm a je přesně dimenzována pro správné umístění čipové antény. Zahrnuje potřebnou světlou výšku 45 × 13 mm kov/zem kolem antény pro správnou funkci (obrázek 11).

Obrázek 11: Vyhodnocovací deska ACR4006X-EVB má rozměry pouhých 120 × 45 mm a usnadňuje vyhodnocení čipové antény prostřednictvím konektoru SMA. V katalogovém listu jsou uvedeny kritické oblasti rozvržení a rozměry. (Zdroj obrázku: společnost Abracon LLC)

Závěr

Vícepásmové antény splňují výzvy zařízení IoT, zejména těch, která nyní musí podporovat jedno pásmo. Zároveň poskytují hladší cestu upgradu na novější standardy, jako je 5G. Umožňují také systému podporovat více pásem pro optimalizaci výkonu v zónách, kde není zajištěna konektivita v jednom pásmu. Jak je zde ukázáno, interní antény společnosti Abracon namontované na desce plošných spojů umožňují elegantnější pouzdro, zatímco externí antény využívající buď integrovaný RF konektor, nebo připojení koaxiálního kabelu nabízejí flexibilitu v umístění pro optimální cestu signálu.