Wie man mit Breitbandantennen sowohl ältere als auch 5G-Wireless-IoT-Netzwerke bedienen kann

Neben den weithin sichtbaren Verbraucher-Smartphones sind 5G-basierte drahtlose Verbindungen für verschiedene eingebettete Anwendungen wie das Internet der Dinge (IoT), Maschine-zu-Maschine-Verbindungen (MTM), das intelligente Stromnetz, Verkaufsautomaten, Gateways, Router, Sicherheits- und Fernüberwachungsnetze vorgesehen. Die Umstellung auf 5G wird jedoch nicht über Nacht erfolgen. Dies führt zu einem Bedarf an Antennen in drahtlosen Kommunikationsverbindungen, die sowohl für 5G als auch für ältere 2G-, 3G- und andere Nicht-5G-Verbindungen geeignet sind, die in den kommenden Jahren bestehen bleiben werden, selbst wenn sich 5G weiter verbreitet.

Aus diesen Gründen müssen die Ingenieure Produkte auch für andere Frequenzbänder als die, die 5G-Standards unterstützen, entwickeln. Selbst wenn sich das interne HF-Frontend oder der Leistungsverstärker für jedes Band unterscheidet, bietet eine einzige Breitbandantenne, die sowohl 5G- als auch Legacy-Bänder bedient, Vorteile.

Dieser Artikel befasst sich mit Breitbandantennen, die sowohl das 5G-Spektrum im unteren Bandbereich als auch ältere Bänder bedienen, dargestellt anhand von Beispielen von Abracon LLC. Der Artikel zeigt, wie die Verwendung dieser Art von Antennen - ob als sichtbare externe Einheiten oder als interne eingebettete Antennen - das Design erleichtern, die Stückliste vereinfachen und die Installation eines Upgrades auf 5G bei Bedarf vereinfachen kann.

Beginnen Sie mit regulierten Bändern

Antennen sind das letzte Element des HF-Sendesignalwegs und das erste im komplementären Empfängerweg. Die Funktion der Antenne besteht darin, als Wandler zwischen der Welt der Stromkreise und Spannungen und der Welt der HF-Energie und elektromagnetischen Felder zu fungieren.

Bei der Auswahl einer Antenne für die Zielanwendung ist zu beachten, dass die Antenne unabhängig von der Art der Modulation oder dem Industriestandard funktioniert, für den sie verwendet wird. Keiner der für die Antennenauswahl verwendeten Parameter, wie Mittenfrequenz, Bandbreite, Verstärkung, Nennleistung oder Größe, hängt davon ab, ob die Antenne für Amplituden-, Frequenz- oder Phasenmodulationssignale (AM, FM, PM) oder 3G-, 4G-, 5G- oder sogar proprietäre Signalformate verwendet wird.

Natürlich erhalten Systemdesigns für aufkommende Anwendungen, die 5G-Standards unterstützen, eine erhebliche Aufmerksamkeit, insbesondere für die 5G-Bänder unter 6 Gigahertz (GHz), in denen die meisten 5G-Aktivitäten stattfinden. Es ist wichtig, zwischen dem vom System unterstützten Funkstandard und der Frequenz und dem verwendeten Spektrum zu unterscheiden, die die Auswahl der Antenne bestimmen.

Die neuen 5G-Standards nutzen bisher nicht verfügbare Frequenzsegmente, während sie gleichzeitig Teile des bereits genutzten Spektrums durch die Integration höherer Modulationsverfahren für einen höheren Durchsatz nutzen. Während also die Unterstützung der Industrie und der Betreiber für einen bestehenden Standard wie 3G im Jahr 2022 ausläuft, werden einige Teile des von 3G genutzten Spektrums weiterhin für 4G und sogar für 5G genutzt (Abbildung 1).

Abbildung 1: Die Frequenzen zwischen 600 und 6000 MHz unterstützen mehrere Standards wie 3G, 4G und 5G, wobei sich die Frequenzen teilweise überschneiden. (Bildquelle: Abracon LLC)

Das bedeutet, dass Antennen, die 3G- oder 4G-Bänder unterstützen, auch für 5G geeignet sein können und umgekehrt. Die Norm mag auslaufen, aber die Antenne bleibt bestehen, und die Kompatibilität der Antennen ist möglich. In jedem dieser Fälle ist die Wiederverwendung von Antennen, die mehrere Standards und Frequenzbänder unterstützen, eine praktische und oft wünschenswerte Lösung.

Weitere wichtige Normen im HF-Spektrum von 600 Megahertz (MHz) bis 6 GHz sind:

• Citizens Broadband Radio Service (CBRS), ein leicht reguliertes 150MHz-Segment im Bereich 3550 MHz bis 3700 MHz (3,5 GHz bis 3,7 GHz). In den Vereinigten Staaten hat die Federal Communications Commission (FCC) diesen Dienst für die gemeinsame Nutzung durch drei Nutzergruppen vorgesehen: etablierte Nutzer, Nutzer mit vorrangiger Zugangslizenz (PAL) und Nutzer mit allgemeiner Zugangsberechtigung (GAA).
• LTE-M, die Abkürzung für LTE Cat-M1 (oft CAT M genannt) oder Long-Term Evolution (4G), Kategorie M1. Diese Technologie ermöglicht es batteriebetriebenen IoT-Geräten mit geringer Einschaltdauer, sich ohne Gateway direkt mit einem 4G-Netzwerk zu verbinden.
• Narrowband-IoT (NB-IoT) ist eine Mobilfunktechnologie, die im Rahmen der 3G-Technologie das orthogonale Frequenzmultiplexverfahren (OFDM) nutzt. Es handelt sich um eine Initiative des Third Generation Partnership Project (3GPP), der Organisation, die für die Standardisierung von Mobilfunksystemen zuständig ist, um den Anforderungen von Geräten mit sehr niedrigen Datenraten gerecht zu werden, die eine Verbindung zu Mobilfunknetzen herstellen müssen und häufig auch mit Batterien betrieben werden.

Ein Hinweis zu den Begriffen Breitband und Multiband, da hier die Möglichkeit von Verwechslungen und Unklarheiten besteht. „Breitband“ beschreibt eine Antenne mit einer Bandbreite, die einen erheblichen Bruchteil ihrer Mittenfrequenz ausmacht. Es gibt zwar keine formale Definition dieser Zahl, aber informell bedeutet sie in der Regel eine Bandbreite, die mindestens 20 bis 30 Prozent der Mittenfrequenz beträgt. Im Gegensatz dazu beschreibt „Multiband“ eine Antenne, die für die Unterstützung von zwei oder mehr Bändern ausgelegt ist, wie sie durch Regulierungsnormen definiert sind; diese Bänder können eng beieinander oder weit voneinander entfernt sein.

Ein extremes Beispiel für eine Mehrbandantenne wäre eine Antenne, die gleichzeitig für den AM-Rundfunk (550 bis 1550 Kilohertz (kHz)) und den FM-Rundfunk (88 bis 108 MHz) funktioniert. Eine Multiband-Antenne kann breitbandig sein, muss es aber nicht.

Unabhängig von der Anzahl, den Abständen und den Bandbreiten, die sie unterstützt, hat eine Multiband-Antenne einen einzigen HF-Anschluss, auch wenn sie intern aus zwei oder mehr verschiedenen kombinierten Antennen bestehen kann. Im Gegensatz zu einer einfacheren Breitbandantenne kann eine Multibandantenne mit absichtlichen Lücken in der Verstärkungsabdeckung über die gesamte Bandbreite ausgelegt werden, um Gleichkanalstörungen zu minimieren.

Interne oder externe Antenne

Der Standard für die drahtlose Verbindung, für den die Antenne verwendet wird, ist keine Frage des Antennendesigns, aber die Frequenz und Bandbreite sind definitiv Überlegungen, die die physische Implementierung der Antenne zu einer wichtigen Entscheidung machen. Eine wichtige Überlegung bei der Entwicklung ist, ob eine externe Antenne oder eine im Endprodukt eingebettete Antenne verwendet werden soll.

Interne Antennen haben diese Eigenschaften:

• Sie ermöglichen ein schlankeres Gehäuse ohne äußere Befestigungen, die abbrechen oder sich verfangen können
• Die integrierte Antenne ist immer angeschlossen und verfügbar
• Sie haben inhärente Einschränkungen in Bezug auf Reichweite, Effizienz, Abstrahlungsmuster und andere Leistungskriterien
• Die Leistung der eingebetteten Antenne wird durch benachbarte Schaltungen beeinflusst, so dass ihre Platzierung eng mit der Größe der Leiterplatte, dem Layout, den Komponenten und der Gesamtanordnung zusammenhängt
• Die Hand oder der Körper des Benutzers kann zu Veränderungen des Antennendiagramms, der Effizienz und der Leistung führen

Im Gegensatz dazu verfügen externe Antennen über diese Eigenschaften:

• Sie bieten mehr Möglichkeiten zur Anpassung von Abstrahlcharakteristiken, Bandbreite und Verstärkung, da sie mehr Freiheitsgrade bei der Gestaltung haben
• Sie müssen nicht an der IoT/HF-Einheit befestigt werden und können mit Hilfe eines Koaxialkabels in geringem Abstand optimal platziert werden
• Sie sind weniger oder gar nicht von den elektrischen Aspekten des Produktdesigns und des Gehäuses betroffen
• Sie sind in verschiedenen Stilen und Konfigurationen erhältlich
• Sie benötigen einen Stecker oder ein Kabel zur Befestigung, was eine Fehlerquelle darstellen kann

Die Entscheidung zwischen einer externen und einer internen Antenne hängt in der Regel von mehreren Faktoren ab. Dazu gehören die Anwendung des Endprodukts und die Präferenzen des Benutzers, die gegen die Leistung abgewogen werden, sowie die Frage, ob die Antenne mobil oder stationär eingesetzt werden soll. Ein Smartphone mit Außenantenne könnte zum Beispiel als unpraktisch angesehen werden. Im Gegensatz dazu könnte ein fest installierter IoT-Knoten mit einer externen und vielleicht etwas abgelegenen Antenne eine bessere und konsistentere Vernetzung bieten.

Vorteile von Multiband-Antennen

Multiband-Antennen können die Anforderungen bestehender Anwendungen erfüllen und gleichzeitig zukunftssichere Designs für Upgrades einschließlich 5G-Vernetzung bieten. Aber warum sollte man eine solche Antenne in Betracht ziehen, wenn die Installationsparameter und -spezifikationen bekannt sind? Dafür gibt es mehrere gute Gründe:

• Eine einzige Antenne kann für eine ganze Produktfamilie mit unterschiedlichen Frequenzbändern verwendet werden, was die Lagerverwaltung und den Einkauf vereinfacht
• Eine interne Multibandantenne führt zu einem kleineren Gehäuse, während eine externe Antenne die Anzahl der Antennenanschlüsse am Produktgehäuse reduziert
• Die Multiband-Antenne kann ein IoT-Gerät bedienen, bei dem ein Upgrade auf ein neues Band wie 5G möglich ist oder erwartet wird, sei es aus Leistungsgründen oder wegen des Auslaufens des bestehenden Bandes und Standards
• Eine einzige externe Antenne für mehrere Bänder bietet Gemeinsamkeiten in Bezug auf Installationstechniken und Werkzeuge
• Für kritische ortsfeste und insbesondere mobile Anwendungen kann der HF-Teil des Geräts Dual-Band-Unterstützung bieten, so dass das Gerät dynamisch zwischen den Bändern wechseln kann, um an einem bestimmten Ort oder in einer bestimmten Umgebung optimale Leistung zu erzielen
• Entwickler können eine einzige interne Multiband-Antenne in nicht verwandten Geräten verwenden, profitieren aber von ihrer Erfahrung mit Antennenmodellierung, Platzierung und möglichen Produktionsproblemen

Beispiele für Multiband-Antennen in der Praxis

Trotz ihrer Breitbandigkeit sind Multiband-Antennen in Bezug auf Formfaktor und Anschlussart nicht eingeschränkt, wie drei Beispiele zeigen.

Die AEBC1101X-S ist eine 5G/4G/LTE-Mobilfunk-Peitschenantenne mit einer Länge von 115 Millimetern (mm) und einem maximalen Durchmesser von 19 mm, die für den Betrieb bei 600 MHz bis 6 GHz ausgelegt ist (Abbildung 2). Sie wird mit einem Standard-SMA-Stecker geliefert, der um 90° gedreht werden kann, um ihn direkt am Produktgehäuse zu montieren (er kann auch mit einem verlängerten Koaxialkabel verwendet werden); ein SMA-Stecker mit umgekehrter Polarität ist ebenfalls erhältlich.

Abbildung 2: Die Mobilfunk-Peitschenantenne AEBC1101X-S für 5G/4G/LTE ist für den Betrieb bei 600 MHz bis 6 GHz ausgelegt und verfügt über einen integrierten um 90° drehbaren SMA-Koaxialanschluss. (Bildquelle: Abracon LLC)

Das Stehwellenverhältnis (VSWR) und die Spitzenverstärkungsleistung sind über das gesamte Frequenzband ziemlich konstant, obwohl es eine Verschiebung des Wirkungsgrads zwischen dem unteren und dem oberen Frequenzbereich gibt (Abbildung 3).

Abbildung 3: Die 5G/4G/LTE-Mobilfunk-Peitschenantenne AEBC1101X-S weist zwischen dem unteren (600 bis 960 MHz) und oberen (1400 bis 6000 MHz) Bereich nur geringe Leistungsänderungen auf. (Bildquelle: Abracon LLC)

Die Abstrahlcharakteristik ist über das gesamte Band ziemlich kreisförmig, mit einigen kleinen Keulen bei 3600 MHz, die bei 5600 MHz etwas deutlicher werden (Abbildung 4).

Abbildung 4: Das X-Y-Abstrahlmuster der AEBC1101X-S ändert sich zwischen 3600 und 5600 MHz, wobei einige Nebenkeulen auftreten. (Bildquelle: Abracon LLC)

Die 5G/4G/LTE/NB-IoT/CAT-Blattantenne AECB1102XS-3000S, ebenfalls für den Betrieb von 600 MHz bis 6 GHz, misst 115,6 mm in der Länge und 21,7 mm in der Breite bei einem sehr dünnen Profil von nur 5,8 mm (Abbildung 5). Sie ist für eine einfache und bequeme Installation auf einer flachen Oberfläche mit Klebeband konzipiert.

Abbildung 5: Die Blattantenne AECB1102XS-3000S für 5G/4G/LTE/NBIOT/CAT, ebenfalls für 600 MHz bis 6 GHz, ist eine flache Antenne, die einfach mit Klebeband an einer flachen Oberfläche befestigt werden kann. (Bildquelle: Abracon LLC)

Ihre HF-Leistung ist ähnlich wie die der AEBC1101X-S mit einem maximalen VSWR unter 3,5, aber die Spitzenverstärkung ist mit 2 Dezibel im Vergleich zu einem isotropen Strahler (dBi) etwas geringer. Auch die Abstrahlcharakteristik in der X-Y- und X-Z-Ebene ist komplexer (Abbildung 6).

Abbildung 6: Die X-Z- und Y-Z-Strahlungsdiagramme der Blattantenne AECB1102XS-3000S zeigen einen komplexeren Satz von Keulen als die Peitschenantenne. (Bildquelle: Abracon LLC)

Ein bemerkenswerter Unterschied zwischen der AEBC1101X-S und der AECB1102XS-3000S besteht in den verfügbaren Anschlüssen. Die Blattantenne AECB1102XS-3000S wird standardmäßig mit einem 1 m langen LMR-100-Koaxialkabel geliefert (dieses ersetzt die Kabeltypen RG174 und RG316), das mit dem weit verbreiteten SMA-Stecker abgeschlossen ist. Es kann jedoch fast jede Kabellänge bestellt werden, und neben SMA werden auch andere Steckertypen als Standardoptionen angeboten, um die Flexibilität der Anschlüsse zu erhöhen (Abbildung 7).

Abbildung 7: Das Standard-Koaxialkabel für die AECB1102XS-3000S ist mit einem SMA(M)-Stecker abgeschlossen, aber es werden auch viele andere Steckeroptionen angeboten. (Bildquelle: Abracon LLC)

Die Breitband-Keramikchipantenne ACR4006X für 600 bis 6000 MHz ist eine oberflächenmontierbare Komponente mit Abmessungen von nur 40 × 6 × 5 mm. Im Betrieb ist ein winziges LC-Impedanzanpassungsnetzwerk erforderlich, das aus einer 8,2-Nanohenry(nH)-Induktivität und einem 3,9-Picofarad(pF)-Kondensator (jeweils in der Größe 0402) besteht, um die gewünschte Impedanz von 50 Ohm (Ω) zu erreichen (Abbildung 8).

Abbildung 8: Die Breitband-Keramikchipantenne ACR4006X für 600 bis 6000 MHz hat eine Grundfläche von nur 40 × 6 mm und benötigt nur zwei winzige passive Komponenten für die 50 Ω Impedanzanpassung. (Bildquelle: Abracon LLC)

Das Datenblatt der ACR4006X gibt an, dass es sich um eine Antenne für 600 bis 6000 MHz handelt, aber es ist zu beachten, dass die Graphen für Wirkungsgrad, Spitzenverstärkung und durchschnittliche Verstärkung einige Lücken aufweisen (Abbildung 9). Dies ist beabsichtigt, da diese Multiband-Antenne für die Leistung in drei spezifischen Bändern innerhalb dieses Bereichs entwickelt und optimiert wurde: 600 bis 960 MHz, 1710 bis 2690 MHz und 3300 bis 6000 MHz zur Unterstützung von 3G-, 4G- und 5G-Bereichen sowie einigen anderen kleineren Frequenzbereichen.

Abbildung 9: Die Effizienz- und Verstärkungsdiagramme der ACR4006X für 600 bis 6000 MHz weisen Lücken auf, die jedoch für die Nutzer kaum von Bedeutung sind, da sie nicht in den 3G-, 4G- und 5G-Bändern liegen. (Bildquelle: Abracon LLC)

Da die ACR4006X nicht für GPS-Empfänger vorgesehen ist, ist ihre Leistung bei GPS-Trägerfrequenzen von 1575,42 MHz (L1-Träger) und 1227,6 MHz (L2-Träger) nicht spezifiziert.

Das X-Y-Strahlungsdiagramm der ACR4006X ist ebenfalls frequenzabhängig, behält aber über sein breites Band hinweg eine annähernd kreisförmige Form bei, mit nur einigen bescheidenen Verstärkungseinbrüchen bei 90° und 270° in seinem unteren Frequenzbereich (Abbildung 10).

Abbildung 10: Das X-Y-Strahlungsdiagramm der Chipantenne ACR4006X ist annähernd kreisförmig, jedoch mit einigen frequenzabhängigen Gewinneinbrüchen bei 90° und 270°. (Bildquelle: Abracon LLC)

Die Bewertung der Leistung einer Antenne beginnt mit dem Datenblatt, oft gefolgt von einer Bestätigung in einem schalltoten Raum und schließlich von Feldtests mit dem Endprodukt. Faktoren, die die tatsächliche Leistung der Außenantenne beeinflussen, sind das Gehäuse, der Körper und die Hände des Benutzers bei mobilen Geräten sowie der Standort und die Platzierung der Antenne. Sie sind weitgehend vom internen Leiterplattenlayout des Produkts entkoppelt.

Im Gegensatz dazu wird die Leistung einer internen Einheit wie der Chipantenne ACR4006X durch benachbarte Komponenten und die Leiterplatte beeinflusst. Aus diesem Grund bietet Abracon das Evaluierungsboard ACR4006X-EVB an, um die technische Evaluierung dieser Chipantenne zu erleichtern.

Das Board wird in Verbindung mit einem Vektornetzwerkanalysator (VNA) verwendet. Nach der anfänglichen Kalibrierung der Konfiguration - ein Standardschritt bei den meisten VNA-Tests - wird die Leistung der Antenne über den kalibrierten Anschluss des VNA mit Hilfe des SMA-Anschlusses auf der Platine bewertet.

Das Evaluierungsboard misst 120 × 45 mm und ist für die richtige Platzierung der Chipantenne genau bemessen. Sie enthält den für den ordnungsgemäßen Betrieb erforderlichen Metall-/Bodenabstand von 45 × 13 mm um die Antenne herum (Abbildung 11).

Abbildung 11: Das Evaluierungsboard ACR4006X-EVB misst nur 120 × 45 mm und erleichtert die Evaluierung der Chipantenne über ihren SMA-Anschluss; das Datenblatt zeigt kritische Layoutbereiche und Abmessungen. (Bildquelle: Abracon LLC)

Fazit

Multiband-Antennen erfüllen die Herausforderungen von IoT-Geräten, insbesondere von solchen, die nur ein einziges Band unterstützen müssen, und bieten gleichzeitig einen reibungsloseren Upgrade-Pfad zu neueren Standards wie 5G. Außerdem kann ein System mehrere Bänder unterstützen, um die Leistung in Bereichen zu optimieren, in denen die Verbindung auf einem einzigen Band nicht gewährleistet ist. Wie gezeigt, ermöglichen die auf der Leiterplatte montierten internen Antennen von Abracon ein schlankeres Gehäuse, während die externen Antennen, die entweder einen integrierten HF-Anschluss oder eine Koaxialkabelbefestigung verwenden, Flexibilität bei der Platzierung für einen optimalen Signalweg bieten.