Použití odolných vícepásmových antén k řešení výzvy mobilní konektivity

Spolu s chytrými telefony a zařízeními internetu věcí (IoT) jsou dalším hlavním hnacím motorem mobilní bezdrátové konektivity dopravní aplikace, včetně železnic, nákladních aut a sledování zařízení. Tyto aplikace kladou na systémovou anténu jedinečnou sadu významných požadavků, jako jsou vibrace, otřesy, teplotní extrémy, déšť, vlhkost a nutnost pracovat v širokých šířkách pásma a dokonce i ve více pásmech, to vše při zajištění konzistentního výkonu.

I když je vhodnou anténu možné navrhnout a sestavit, téměř ve všech náročných aplikacích má největší smysl použít standardní, správně navrženou, dobře sestavenou, plně charakterizovanou a běžně dostupnou jednotku. Tím se sníží náklady a doba vývoje a zároveň se zvýší úroveň důvěry v konečný návrh.

V tomto článku jsou zkoumány problémy spojené s návrhem dopravní antény. Poté si zde představíme dvě vícepásmové antény od společnosti TE Connectivity určené k montáži na povrch krytu, včetně základní „krabice“ a případně exponovaného pohybujícího se vozidla.

Aplikace řídí implementaci

Anténa je zásadním převodníkem mezi elektronickým obvodem a elektromagnetickými (EM) poli ve volném prostoru, a proto je často nejexponovanějším prvkem celého návrhu. Přesto musí navzdory nepříznivým okolním podmínkám poskytovat požadovaný elektrický a radiofrekvenční výkon s využitím tvarového faktoru kompatibilního s celkovým návrhem systému.

U nákladních systémů a zejména u vysokorychlostních osobních železničních tratí se musí anténa dát také snadno integrovat do aerodynamického krytu, který má minimální odpor větru a může ji chránit před nepříznivými podmínkami prostředí (obrázek 1). Podobná omezení platí pro situace sledování zařízení, kdy musí být anténa exponována pro příjem signálů globálního navigačního satelitního systému (GNSS).

Obrázek 1: Mobilní konektivita využívající různé standardy a pásma je nyní očekáváním u mobilních, vysokorychlostních instalací, jako jsou vlaky, které čelí problémům kvůli odporu větru a odolnosti vůči okolním podmínkám. (Zdroj obrázku: společnost TE Connectivity)

Optimální anténa je pečlivou kombinací charakteristik specifických pro aplikaci, včetně požadovaných vyzařovacích diagramů, správného přizpůsobení impedance, nízkého poměru napětí stojatých vln (VSWR), mechanické integrity, vhodnosti krytu a snadného elektrického připojení. V mnoha případech je také potřeba zlepšit cestu signálu a maximalizovat poměr signálu k šumu (SNR) front-endu pomocí aktivní antény s integrovaným nízkošumovým zesilovačem (LNA).

Stejně jako u všech součástek i zde se používají některé parametry nejvyšší úrovně, které charakterizují téměř všechny návrhy a instalace antén, a také další, které mohou být v dané situaci více či méně kriticky důležité. U antén jsou klíčovými faktory vyzařovací diagramy a výkon v daném pásmu.

Implementace principů antény

Orientace antén používaných pro přepravu a sledování zařízení je náročný úkol, protože je náhodná a mění se, takže je důležité, aby antény měly konzistentní všesměrový diagram pro horní a boční pohledy v celém specifikovaném pásmu.

Například duální anténa M2M MiMo LTE 1-2309605-1 společnosti TE Connectivity je navržena pro pásma 698 až 960 MHz a 1 710 až 3 800 MHz a cílí na aplikace 2G, 3G, 4G, mobilní, GSM a LTE (obrázek 2). Jedna anténa může být pro celý tento seznam standardů vhodná, protože je agnostická s ohledem na konkrétní formát signálu, který přenáší, nebo standard, který podporuje. Její design je primárně definován frekvencí, šířkou pásma a výkonem.

Obrázek 2: Model 1-2309605-1 společnosti TE Connectivity je jediný modul obsahující dvě nezávislé antény, jednu pro provoz v pásmu 698 až 960 MHz a druhou pro provoz v pásmu 1 710 až 3 800 MHz. (Zdroj obrázku: společnost TE Connectivity)

Je nutné mít na paměti, že „duální“ anténa není totéž jako „dvoupásmová“ anténa. Duální anténa, jako je model 1-2309605-1, má dvě nezávislé antény v jediném krytu a každá má své vlastní napájení. Dvoupásmová jednotka je jedna anténa s jedním napájením, určená pro podporu dvou (nebo více) pásem.

Při pohledu na anténu pro spodní pásmo modelu 1-2309605-1 je její vyzařovací diagram pro horní i boční orientaci stejnoměrný po celé šířce pásma od spodního konce kolem 700 MHz a sahá až k horním frekvencím kolem přibližně 900 MHz (obrázek 3).

Obrázek 3: Boční (vlevo) a horní (vpravo) grafy zisku antény 1-2309605-1 při 700, 800 a 900 MHz (v tomto pořadí horní, střední a spodní řada) ukazují poměrně jednotný vyzařovací diagram. (Materiál zdroje obrázku: společnost TE Connectivity)

Při 700 MHz (dolní konec frekvenčního pásma) je zisk v decibelech vzhledem k izotropní anténě (dBi) – standardní metrika udávající směrovost antény – pouhých 1,5 dBi, což představuje poměrně jednotný vyzařovací diagram. Tato jednotnost a rovnoměrnost přispívá ke konzistentnímu výkonu bez ohledu na orientaci antény. Dále je vyzařovací diagram pro vyšší frekvence 900 MHz také docela rovnoměrný se ziskem pouhých 4,5 dBi.

Dalším důležitým parametrem antény je poměr VSWR, který je formálně definován jako poměr maximálního a minimálního napětí neboli poměr mezi vysílanými a odraženými napěťovými stojatými vlnami na bezztrátovém přenosovém vedení. V ideálním případě by byl poměr VSWR 1:1. I když je často obtížné toho dosáhnout, je obvykle přijatelnou praxí pracovat s VSWR s nízkými jednocifernými čísly.

U duální antény M2M MiMo LTE 1-2309605-1, která zvládne až 20 wattů vysílacího výkonu, je maximální poměr VSWR při měření s 3metrovým kabelem RG174 přibližně 3:1 na jednom konci a blíže k 1,5:1 ve většině jejích provozních pásem (obrázek 4). Pro mnoho cílových aplikací je to obecně dostatečně nízká hodnota.

Obrázek 4: Poměr VSWR (svislá osa) pro duální anténu M2M MiMo LTE 1-2309605-1, měřen s 3m kabelem RG174, ukazuje nízkou hodnotu v celém aktivním frekvenčním rozsahu (osa x). (Zdroj obrázku: společnost TE Connectivity)

Na obrázku 4 je zeleně nízkofrekvenční prvek č. 1, červeně je vysokofrekvenční prvek č. 2 a černě jsou hodnoty pro prvky č. 1 a č. 2 ve volném prostoru, zatímco modrá je pro prvky č. 1 a č. 2 na zemnicí rovině 400 × 400 mm.

Společně umístěné antény

K pokrytí více pásem je možné umístit dvě nebo více samostatných antén. To však vede k několika potenciálním problémům. Za prvé je tu zřejmý problém s prostorem a montážním hardwarem potřebným na panel nebo jiný povrch stejně jako se souvisejícími náklady na instalaci. Za druhé existují obavy z EM interakce mezi anténami, která by ovlivňovala jejich diagramy a výkon. To omezuje, jak mohou být vůči sobě navzájem umístěny. Tato interakce se měří jako izolace antény, která definuje, do jaké míry anténa zachytí záření z jiné antény.

Řešením tohoto problému je použití jediné anténní jednotky, která kombinuje více antén v jediném pouzdru nebo krytu. Mechanicky to zmenšuje celkovou velikost, zjednodušuje instalaci a vedení anténních kabelů a nabízí efektivní aerodynamičtější vnější vzhled.

Z elektrické stránky to znamená, že izolaci mezi anténami lze změřit a specifikovat předem, čímž se minimalizují obavy z neočekávané nebo nepředvídané interakce. U duální antény M2M MiMo LTE 1-2309605-1 je izolace nejméně 15 dB, přičemž se zvyšuje směrem ke středům obou pásem, ve kterých jednotka pracuje (obrázek 5).

Obrázek 5: Izolace (osa y, dB) mezi dvěma anténami v modulu duální antény M2M MiMo LTE 2309605-1 je 15 dB nebo lepší, měřeno jako funkce frekvence (osa x, MHz). (Zdroj obrázku: společnost TE Connectivity)

Funkce aktivního příjmu antény

Kromě dvou pásem pokrytých duální anténou 1-2309605-1 potřebuje mnoho aplikací, jako je sledování zařízení, přijímat k určení polohy nebo informací o časování také signály ze systémů GPS (USA), Galileo (Evropa) a Beidou (Čína). Ke zjednodušení tohoto úkolu a zamezení nutnosti další externí diskrétní antény nabízí společnost TE model 1-2309646-1. Tím se ke dvěma anténám jednotky duální antény přidá třetí anténa pouze pro příjem signálů GNSS mezi 1 562–1 612 MHz.

Potřeba přijímat signály GNSS však přidává konstruktérům systému další výzvu, která se vrací k základům funkcí vysílání versus příjem. Při použití pro vysílání jsou anténa a její napájecí vedení v deterministické situaci. Odebírají známý, řízený, dobře definovaný signál z výkonového zesilovače (PA) vysílače a vyzařují jej. Zbývá jen malá obava z vnitřního šumu na tomto signálu, rušení v pásmu nebo signálů mimo pásmo mezi PA a anténou.

Díky principu reciprocity, který platí pro všechny antény, lze pro příjem použít stejnou fyzickou anténu, která se používá pro vysílání. Provozní podmínky pro příjem jsou však poměrně jiné než pro vysílání. Vzhledem k tomu, že se anténa pokouší zachytit signál s neznámými informacemi v přítomnosti rušení a šumu uvnitř pásma i mimo něj, požadovaný přijímaný signál není deterministický, protože má mnoho náhodných charakteristik.

Kromě toho je síla přijímaného signálu nízká (řádově mikrovolty až několik milivoltů) a poměr SNR je také nízký. Pro signály GNSS je výkon přijímaného signálu typicky mezi −127 a −25 dB vzhledem k jednomu miliwattu (dBm), zatímco poměr SNR je typicky mezi 10 a 20 dB. Tento křehký signál se zeslabí v důsledku ztrát v kabelu mezi anténou a front-endem přijímače a jeho poměr SNR bude také degradovaný nevyhnutelným tepelným a jiným šumem v přenosovém kabelu.

Jako další funkci pro svou třetí anténu GNSS pouze pro příjem obsahuje z těchto důvodů anténa 1-2309646-1 zesilovač LNA. LNA poskytuje zisk 42 dB pro signály GNSS, čímž výrazně zvyšuje sílu přijímaného signálu. Ke zjednodušení použití přijímá LNA energii (3 až 5 V DC, maximálně 20 mA) přes koaxiální kabel zesíleného RF signálu pomocí dobře zavedené techniky překrývání.

Stejnosměrné napájení je posíláno na kabelu mezi jednotkou přijímače a LNB (obrázek 6). Stejnosměrné napájení pro LNA (V1) je blokováno před vstupem do rádiové hlavice (front-end) pomocí malých sériových kondenzátorů (C1 a C2). Tyto kondenzátory umožňují, aby zesílený RF signál z antény (ANT1) procházel do rádiové hlavice (OUT). Současně je zesílený RF signál blokován před návratem do napájecího zdroje V1 sériovými induktory (tlumivkami) L1 a L2. Tímto způsobem mohou stejnosměrné napájení do LNA a zesílený RF signál z LNA do rádiové hlavice sdílet stejný propojovací koaxiální kabel.

Obrázek 6: Stejnosměrné napájení do LNA antény může být překryto na kabelu přenášejícím výstup antény/LNA pomocí chytrého uspořádání induktorů a kondenzátorů, které na jednotlivých koncích oddělují a izolují stejnosměrné napájení a RF signál. (Zdroj obrázku: web Electronics Stack Exchange)

Vytvoření fyzického spojení

Jakákoli anténa nebo sestava anténních prvků musí mít spolehlivý, pohodlný a elektricky a mechanicky bezpečný způsob připojení a odpojení od rádiového front-endu, se kterým pracují. Dále musí být kompletní anténní sestava chráněna před okolním prostředím a musí být snadno montovatelná s minimálním dopadem na montážní povrch.

Ke splnění těchto cílů je každé pásmo dvoupásmové antény 1-2309605-1 a třípásmové antény 1-2309646-1 vybaveno 3metrovým koaxiálním kabelem RG-174, který je zakončen standardní zástrčkou SMA (obrázek 7). Výsledkem je, že připojení nebo odpojení jedné nebo více antén je jednoduché a lze jej snadno provést v továrně během montáže systému nebo v terénu jako doplněk.

Obrázek 7: Jednotlivé antény v rámci modelů 1-2309605-1 a 1-2309646-1 mají svůj vlastní koaxiální kabel RG-174 s koncovkou SMA ke zjednodušení instalace, připojení, testování a demontáže v případě potřeby. (Zdroj obrázku: společnost TE Connectivity)

Připevnění víceanténního modulu k povrchu systému je dále usnadněno použitím jedné vnitřní 18mm montážní tyče a akrylové lepicí podložky kolem spodního okraje krytu antény. Připevnění antény je rychlá operace, po které nezůstane žádný exponovaný hardware rezavět, nemůže být uvolněný a ani nesprávně utažený.

Kryt těchto antén je optimalizován pro mobilní aplikace vysokorychlostního pohybu. Aerodynamická jednotka je jen 45 mm široká a 150 mm dlouhá se zaoblenými hranami (podobně jako „žraločí ploutev“ na střeše automobilů), aby se minimalizoval její koeficient odporu vzduchu a odpor větru. Materiál pouzdra stabilizovaný proti UV záření dále zajišťuje, že pouzdro následkem vystavení slunečnímu záření časem neoslabí.

Závěr

Mobilní, vysokorychlostní, vícepásmové bezdrátové připojení pro přepravu vyžaduje sestavu antény, která dokáže splnit náročné elektrické a mechanické požadavky a požadavky okolního prostředí. Moduly se dvěma a třemi anténami od společnosti TE Connectivity poskytují nízkopásmové, vysokopásmové a volitelné antény v pásmu GNSS spolu s interním LNA pro druhý zmíněný typ. Tyto jednotky jsou vybaveny samostatnými koaxiálními kabely a konektory pro jednotlivé antény a navíc jednoduchým uspořádáním pro montáž na povrch nebo panel pro usnadnění instalace a zajištění kritické odolnosti vůči okolnímu prostředí.

Související obsah

1. TE Connectivity: „Anténní výrobky“
2. DigiKey: „Za hranicemi vodičů: Antény se vyvíjejí a přizpůsobují tak, aby splnily náročné požadavky bezdrátových technologií“
3. DigiKey: „Proč je dobrý LNA klíčem k životaschopnému front-endu antény“