Utiliser des antennes multibandes robustes pour relever le défi de la connectivité mobile

Avec les smartphones et les dispositifs de l'Internet des objets (IoT), les applications de transport, notamment les chemins de fer, les camions et le suivi des actifs, constituent un autre moteur important de la connectivité mobile sans fil. Ces applications font peser un ensemble unique d'exigences importantes sur l'antenne du système, comme la résistance aux vibrations, aux chocs, aux températures extrêmes, à la pluie et à l'humidité, ainsi que la nécessité de fonctionner sur de larges bandes, voire sur plusieurs bandes, tout en assurant des performances constantes.

Bien qu'il soit possible de concevoir et de construire une antenne adaptée, il est préférable, dans presque toutes les applications difficiles, d'utiliser une unité standard, correctement conçue, bien construite, entièrement caractérisée et disponible dans le commerce. Cela permet de réduire les coûts et le temps de développement tout en améliorant le niveau de confiance dans la conception finale.

Cet article examine les questions liées à la conception des antennes de transport. Il présente ensuite deux antennes multibandes de TE Connectivity, conçues pour être montées sur la surface d'une enceinte, y compris un « boîtier » de base et éventuellement un véhicule mobile exposé.

Ce sont les applications qui déterminent la mise en œuvre

L'antenne constitue le transducteur vital entre un circuit électronique et les champs électromagnétiques (EM) de l'espace libre, si bien qu'elle se trouve souvent être l'élément le plus exposé de la conception. Elle doit cependant fournir les performances électriques et RF souhaitées en dépit de conditions ambiantes difficiles, tout en respectant un facteur de forme compatible avec la conception globale du système.

Pour les systèmes de transport de marchandises et surtout pour les trains de voyageurs à grande vitesse, elle doit également être facilement intégrée dans un boîtier aérodynamique qui présente à la fois une résistance minimale au vent et peut être protégé des conditions environnementales difficiles (Figure 1). Des contraintes similaires s'appliquent aux situations de suivi des actifs où l'antenne doit être exposée pour recevoir les signaux du système global de navigation par satellite (GNSS).

Figure 1 : La connectivité mobile utilisant diverses normes et bandes est désormais indispensable dans les installations mobiles à grande vitesse telles que les trains, ce qui pose des problèmes de résistance au vent et de robustesse environnementale. (Source de l'image : TE Connectivity)

L'antenne optimale correspond à un savant mélange de caractéristiques spécifiques à l'application, y compris les diagrammes de rayonnement souhaités, une adaptation d'impédance appropriée, un faible rapport d'ondes stationnaires en tension (ROS), une intégrité mécanique, une adéquation du boîtier et la facilité des connexions électriques. Dans de nombreux cas, il est également nécessaire d'améliorer le trajet du signal et d'optimiser le rapport signal/bruit (SNR) du circuit d'entrée en utilisant une antenne active avec un amplificateur à faible bruit (LNA) intégré.

Comme pour tous les composants, il existe des paramètres de premier ordre utilisés pour caractériser presque toutes les conceptions et installations d'antennes, ainsi que d'autres qui peuvent être plus ou moins importants dans une situation donnée. Pour les antennes, les diagrammes de rayonnement et les performances sur la bande spécifiée représentent des éléments essentiels à prendre en compte.

Mise en œuvre des concepts d'antenne

L'orientation des antennes utilisées pour le transport et le suivi des actifs constitue un défi, car elle est aléatoire et changeante. Il est donc important qu'elles aient un motif cohérent et omnidirectionnel pour les vues de dessus et de côté dans toute la bande spécifiée.

Par exemple, la double antenne M2M MiMo LTE 1-2309605-1 de TE Connectivity est conçue pour les bandes de 698 à 960 mégahertz (MHz) et de 1710 à 3800 MHz, et elle cible les applications 2G, 3G, 4G, cellulaires, GSM et LTE (Figure 2). Une seule antenne peut être efficace pour cette liste de normes car elle est indépendante du format de signal spécifique qu'elle transporte ou de la norme qu'elle prend en charge ; sa conception est principalement définie par la fréquence, la bande passante et la puissance.

Figure 2 : Le modèle 1-2309605-1 de TE Connectivity est un module unique comprenant deux antennes indépendantes, l'une pour le fonctionnement de 698 à 960 MHz, l'autre pour le fonctionnement de 1710 à 3800 MHz. (Source de l'image : TE Connectivity)

Notez qu'une antenne « double » ne désigne pas la même chose qu'une antenne « double bande ». Une antenne double, telle que le modèle 1-2309605-1, comporte deux antennes indépendantes dans un seul logement et chacune dispose de sa propre alimentation ; en revanche, une unité à double bande (ou bibande) consiste en une antenne unique avec une seule alimentation, conçue pour prendre en charge deux bandes (ou plus).

Si l'on observe l'antenne du modèle 1-2309605-1 pour la bande inférieure, son diagramme de rayonnement, pour les orientations supérieure et latérale est uniforme sur toute la largeur de bande, de la limite inférieure, à environ 700 MHz, jusqu'aux fréquences supérieures, à environ 900 MHz (Figure 3).

Figure 3 : Les diagrammes de gain latéral (gauche) et supérieur (droite) du modèle 1-2309605-1 à 700, 800 et 900 MHz (respectivement, rangée du haut, rangée du milieu, rangée du bas) montrent un diagramme de rayonnement relativement uniforme. (Source de l'image : TE Connectivity)

À 700 MHz (la limite inférieure de la bande de fréquences), le gain en décibels par rapport à une antenne isotrope (dBi) - une mesure standard indiquant la directivité de l'antenne - est de seulement 1,5 dBi, ce qui représente un diagramme de rayonnement relativement uniforme. Cette uniformité et cette régularité contribuent à des performances constantes, quelle que soit l'orientation de l'antenne. Par ailleurs, le diagramme de rayonnement pour la limite haute fréquence de 900 MHz est également assez uniforme avec un gain de seulement 4,5 dBi.

Un autre paramètre d'antenne important est le rapport d'ondes stationnaires en tension (ROS), qui est formellement défini comme le rapport entre la tension maximale et la tension minimale, ou le rapport entre les ondes stationnaires en tension transmises et réfléchies sur une ligne de transmission sans perte. Dans un scénario idéal, le rapport ROS serait de 1:1. Bien que cela soit souvent difficile à réaliser, il est généralement acceptable de travailler avec un ROS à un chiffre faible.

Pour la double antenne M2M MiMo LTE 1-2309605-1, qui peut gérer jusqu'à 20 watts de puissance d'émission, le ROS maximal mesuré avec un câble RG174 de 3 mètres (m) se situe à environ 3:1 à une extrémité, et est plus proche de 1,5:1 dans la plupart de ses bandes de fonctionnement (Figure 4). En général, cette valeur est suffisamment basse pour la plupart des applications concernées.

Figure 4 : Le rapport ROS (axe vertical) pour la double antenne M2M MiMo LTE 1-2309605-1, mesuré avec un câble RG174 de 3 m, montre une faible valeur sur toute la gamme de fréquences actives (axe x). (Source de l'image : TE Connectivity)

La Figure 4 montre en vert l'élément n° 1 à basse fréquence, en rouge l'élément n° 2 à haute fréquence, en noir les éléments n° 1 et n° 2 en espace libre, et en bleu les éléments n° 1 et n° 2 sur un plan de masse de 400 × 400 millimètres (mm).

Antennes co-implantées

Il est possible de co-implanter deux ou plusieurs antennes distinctes afin de couvrir plusieurs bandes. Cependant, cela peut entraîner un certain nombre de problèmes potentiels. Tout d'abord se pose le problème évident de l'espace et du matériel de montage requis sur un panneau ou une autre surface, ainsi que les coûts d'installation associés. Deuxièmement, l'interaction électromagnétique entre les antennes, qui aura une incidence sur leurs caractéristiques et leurs performances, soulève des inquiétudes quant à la manière dont elles peuvent être placées les unes par rapport aux autres. Cette interaction est mesurée par l'isolement de l'antenne, qui définit dans quelle mesure une antenne capte le rayonnement d'une autre antenne.

La solution à ce dilemme consiste à utiliser une unité d'antenne unique, qui combine plusieurs antennes dans un seul logement ou boîtier. D'un point de vue mécanique, cela réduit la taille globale, simplifie l'installation et le routage des câbles d'antenne, et présente un aspect extérieur épuré.

Sur le plan électrique, cela signifie que l'isolement entre les antennes peut être mesuré et spécifié à l'avance, ce qui réduit au minimum les risques d'interactions inattendues ou imprévues. Pour la double antenne M2M MiMo LTE 1-2309605-1, l'isolement est d'au moins 15 dB et augmente vers les centres des deux bandes desservies par l'unité (Figure 5).

Figure 5 : L'isolement (axe des y, dB) entre les deux antennes du module à double antenne M2M MiMo LTE 2309605-1 est de 15 dB ou plus, mesuré en fonction de la fréquence (axe des x, MHz). (Source de l'image : TE Connectivity)

Fonction d'antenne de réception active

Outre les deux bandes couvertes par l'antenne double 1-2309605-1, de nombreuses applications, telles que le suivi des actifs, doivent également recevoir les signaux des systèmes GNSS GPS (États-Unis), Galileo (Europe) et Beidou (Chine) pour obtenir des informations sur la position ou le temps. Pour simplifier cette tâche et éviter de recourir à une autre antenne externe discrète, TE propose le modèle 1-2309646-1. Ce dernier complète les deux antennes de l'unité à double antenne par une troisième antenne, uniquement pour la réception des signaux GNSS entre 1562 et 1612 MHz.

Cependant, la nécessité de recevoir des signaux GNSS représente un autre défi pour le concepteur du système, qui renvoie aux principes de base des fonctions d'émission et de réception. Lorsqu'elle est utilisée pour l'émission, l'antenne et sa ligne d'alimentation se trouvent dans une situation déterministe. Elles captent le signal connu, contrôlé et bien défini de l'amplificateur de puissance (PA) de l'émetteur et le transmettent par rayonnement. Le bruit interne sur ce signal, les interférences intrabandes ou les signaux hors bande entre l'amplificateur de puissance et l'antenne posent peu de problèmes.

En raison du principe de réciprocité qui s'applique à toutes les antennes, la même antenne physique utilisée pour l'émission peut également servir à la réception. Cependant, les conditions de fonctionnement pour la réception sont très différentes de celles pour l'émission. Étant donné que l'antenne essaie de capter un signal avec des inconnues en présence d'interférences et de bruit dans la bande et même hors bande, le signal reçu souhaité n'est pas déterministe, car il présente de nombreuses caractéristiques aléatoires.

En outre, l'intensité du signal reçu est faible (de l'ordre de quelques microvolts à quelques millivolts), de même que le rapport signal/bruit. Pour les signaux GNSS, la puissance du signal reçu est généralement comprise entre -127 et -25 dB par rapport à un milliwatt (dBm), tandis que le rapport signal/bruit se situe généralement entre 10 et 20 dB. Ce signal fragile est atténué en raison des pertes dans le câble entre l'antenne et le circuit d'entrée du récepteur, et son rapport signal/bruit est également dégradé par les inévitables bruits thermiques et autres dans le câble de transmission.

Pour ces raisons, le modèle 1-2309646-1 intègre un amplificateur à faible bruit (LNA) comme autre fonctionnalité pour sa troisième antenne GNSS en réception seule. Le LNA fournit un gain de 42 dB pour les signaux GNSS, ce qui augmente considérablement l'intensité du signal reçu. Pour simplifier l'utilisation du LNA, il reçoit son alimentation (3 à 5 volts CC, à un maximum de 20 milliampères (mA)) via le câble coaxial du signal RF amplifié en utilisant une technique de superposition éprouvée.

Le courant continu est envoyé sur le câble entre l'unité de réception et le bloc à faible bruit (LNB) (Figure 6). L'alimentation en courant continu du LNA (V1) est empêchée d'atteindre l'unité de la tête radio (circuit d'entrée) par de petits condensateurs en série (C1 et C2). Ces condensateurs permettent de transmettre le signal RF amplifié de l'antenne (ANT1) à l'unité de la tête radio (OUT). En même temps, des inductances en série (bobines d'arrêt) L1 et L2 empêchent le signal RF amplifié de revenir à l'alimentation V1. De cette façon, l'alimentation CC du LNA et le signal RF amplifié du LNA à l'unité de la tête radio peuvent partager le même câble coaxial d'interconnexion.

Figure 6 : L'alimentation CC du LNA de l'antenne peut être superposée sur le câble transportant la sortie de l'antenne/du LNA à l'aide d'une disposition astucieuse d'inductances et de condensateurs qui séparent et isolent l'alimentation CC et le signal RF à chaque extrémité. (Source de l'image : Electronics Stack Exchange)

Établir une connexion physique

Toute antenne ou tout ensemble d'éléments d'antenne doit pouvoir être connecté et déconnecté du circuit d'entrée de la radio desservi de manière fiable, pratique et sûre sur le plan électrique et mécanique. En outre, la totalité de l'antenne doit être protégée de l'environnement et être facile à monter avec un impact minimal sur la surface de montage.

Pour atteindre ces objectifs, chaque bande du modèle 1-2309605-1 à deux bandes et du modèle 1-2309646-1 à trois bandes est équipée d'un câble coaxial RG-174 de 3 mètres, qui est terminé par une fiche SMA standard (Figure 7). Par conséquent, la connexion ou la déconnexion d'une ou de plusieurs antennes est simple et peut facilement être effectuée en usine lors de l'assemblage du système, ou sur le terrain en cas d'ajout.

Figure 7 : Chaque antenne des modèles 1-2309605-1 et 1-2309646-1 dispose de son propre câble coaxial RG-174 avec terminaison de fiche SMA pour simplifier l'installation, la fixation, le test et le démontage, si nécessaire. (Source de l'image : TE Connectivity)

En outre, la fixation du module multi-antenne à la surface du système est facilitée par l'utilisation d'une seule tige de montage interne de 18 mm et d'un tampon adhésif en acrylique autour du bord inférieur du logement de l'antenne. La fixation de l'antenne est une opération rapide qui ne laisse aucune pièce exposée susceptible de rouiller, de se desserrer ou d'être serrée à un couple incorrect.

Le logement de ces antennes est optimisé pour les applications mobiles et de mouvement à haute vitesse. L'unité aérodynamique ne mesure que 45 mm de large et 150 mm de long, avec des bords arrondis (semblables à « l'aileron de requin » sur le toit des automobiles) afin de minimiser son coefficient de traînée et sa résistance au vent. De plus, le matériau du boîtier stabilisé aux UV garantit que l'exposition à la lumière du soleil ne fragilisera pas le logement au fil du temps.

Conclusion

La connectivité sans fil mobile, à haute vitesse et multibande pour le transport exige un assemblage d'antenne capable de répondre à des objectifs électriques, environnementaux et mécaniques stricts. Les modules à deux et trois antennes de TE Connectivity offrent des antennes à bande basse, à bande haute et à bande GNSS en option, ainsi qu'un amplificateur à faible bruit (LNA) interne pour cette dernière. Ces unités sont équipées de câbles coaxiaux et de connecteurs individuels pour chaque antenne, et permettent un montage simple en surface ou sur panneau pour faciliter l'installation et assurer une robustesse cruciale face aux conditions environnementales.

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