Utilizzare antenne multibanda robuste per risolvere i problemi della connettività mobile

Insieme agli smartphone e ai dispositivi per Internet delle cose (IoT), un altro importante fattore per la connettività mobile wireless è dato dalle applicazioni di trasporto su rotaia e su gomma, ma anche dalla tracciabilità delle risorse. Queste applicazioni pongono una serie unica di esigenze sull'antenna del sistema, come vibrazioni, urti, temperature estreme, pioggia, umidità, e la necessità di funzionare su ampie larghezze di banda e su bande multiple, il tutto assicurando prestazioni costanti.

Mentre è possibile progettare e costruire un'antenna adatta, in quasi tutte le applicazioni difficili ha più senso usare un'unità standard, correttamente progettata, ben costruita, completamente caratterizzata e pronta all'uso. In questo modo si riducono i costi e i tempi di sviluppo, aumentando il livello di fiducia nel progetto finale.

Questo articolo esamina i problemi associati alla progettazione delle antenne di trasporto. Presenta quindi due antenne multibanda di TE Connectivity progettate per il montaggio superficiale su un involucro, tra cui una "scatola" di base ed eventualmente un veicolo mobile esposto.

Le applicazioni determinano l'implementazione

L'antenna è il trasduttore vitale tra un circuito elettronico e i campi elettromagnetici (EM) dello spazio libero, quindi è spesso l'elemento più esposto del progetto. Eppure deve fornire le prestazioni elettriche e RF desiderate nonostante le difficili condizioni ambientali, utilizzando un fattore di forma compatibile con la concezione generale del sistema.

Per i sistemi di trasporto merci e specialmente per i treni passeggeri ad alta velocità, deve anche essere facilmente integrato in un involucro aerodinamico con una resistenza minima al vento e protetto dalle condizioni ambientali difficili (Figura 1). Vincoli simili valgono per la tracciabilità delle risorse, dove l'antenna deve essere esposta per ricevere i segnali del sistema di navigazione satellitare globale (GNSS).

Figura 1: La connettività mobile utilizzando vari standard e bande è ora un'aspettativa per le installazioni mobili e ad alta velocità come i treni, ma pone sfide dovute alla resistenza al vento e alla robustezza ambientale. (Immagine per gentile concessione di TE Connectivity)

L'antenna ottimale è un attento mix di caratteristiche specifiche dell'applicazione, compresa la distribuzione dell'irradiazione desiderata, l'adattamento di impedenza adeguato, il basso rapporto di onda stazionaria (ROS) in tensione, l'integrità meccanica, l'idoneità del contenitore e la facilità dei collegamenti elettrici. Vi è anche in molti casi la necessità di migliorare il percorso del segnale e di massimizzare il rapporto segnale/rumore (SNR) del front-end attraverso l'uso di un'antenna attiva con un amplificatore a basso rumore (LNA) integrato.

Come per tutti i componenti, alcuni parametri di alto livello sono utilizzati per caratterizzare quasi tutti i progetti e le installazioni di antenna, mentre altri possono essere più o meno critici in una data situazione. Per le antenne, la distribuzione dell'irradiazione e le prestazioni attraverso la banda specificata sono le considerazioni prioritarie.

Principi di implementazione di un'antenna

L'orientamento delle antenne utilizzate per il trasporto e la tracciabilità delle risorse è una sfida in quanto è casuale e mutevole, per questo è importante che seguano un pattern omnidirezionale coerente per la visibilità superiore e laterale in tutta la banda specificata.

Ad esempio, l'antenna doppia 1-2309605-1 M2M MiMo LTE TE Connectivity è progettata per entrambe le bande da 698 a 960 MHz e da 1710 a 3800 MHz e punta alle applicazioni 2G, 3G, 4G, cellulari, GSM e LTE (Figura 2). Una singola antenna può essere efficace per questa lista di standard, perché è agnostica in termini di formato del segnale trasmesso o dello standard supportato; il suo design è definito principalmente dalla frequenza, dalla larghezza di banda e dalla potenza.

Figura 2: 1-2309605-1 di TE Connectivity è un singolo modulo comprendente due antenne indipendenti, una per il funzionamento da 698 a 960 MHz e l'altra da 1710 a 3800 MHz. (Immagine per gentile concessione di TE Connectivity)

Si noti che un'antenna "doppia" non è la stessa cosa di un'antenna a "doppia banda". Un'antenna doppia, come la 1-2309605-1, ha due antenne indipendenti in un unico alloggiamento, ognuna con una linea di alimentazione propria; un'unità a doppia banda è una singola antenna con una linea di alimentazione progettata per supportare due (o più) bande.

Guardando l'antenna a banda bassa di 1-2309605-1, la distribuzione dell'irradiazione per entrambi gli orientamenti superiore e laterale è uniforme attraverso la larghezza di banda, dal valore basso di circa 700 MHz fino alle frequenze superiori di circa 900 MHz (Figura 3).

Figura 3: Grafici del guadagno laterale (sinistra) e superiore (destra) del modulo 1-2309605-1 a 700, 800 e 900 MHz (riga superiore, riga centrale, riga inferiore) con una distribuzione dell'irradiazione uniforme. (Immagine per gentile concessione di TE Connectivity)

A 700 MHz (il limite basso della banda di frequenza), il guadagno in decibel rispetto a un'antenna isotropa (dBi) - un parametro standard che indica la direttività dell'antenna - è di soli 1,5 dBi, che rappresenta una distribuzione dell'irradiazione abbastanza uniforme. Questa uniformità contribuisce a prestazioni costanti, indipendentemente dall'orientamento dell'antenna. Inoltre, la distribuzione dell'irradiazione per il limite a frequenza più alta di 900 MHz è anch'esso piuttosto uniforme, con un guadagno di soli 4,5 dBi.

Un altro importante parametro dell'antenna è la ROS in tensione, formalmente definita come il rapporto tra la tensione massima e minima, o il rapporto tra le onde stazionarie di tensione trasmesse e riflesse su una linea di trasmissione senza perdite. In uno scenario ideale, la ROS in tensione è 1:1. Anche se ciò è spesso difficile da raggiungere, di solito è accettabile lavorare con una ROS in tensione di valori bassi, a una cifra.

Per l'antenna doppia 1-2309605-1 M2M MiMo LTE, che può gestire fino a 20 W di potenza di trasmissione, la massima ROS in tensione misurata con un cavo di 3 metri RG174 è circa 3:1 a un'estremità e più vicino a 1,5:1 sulla maggior parte delle bande di funzionamento (Figura 4). In generale, questo valore è abbastanza basso per molte delle applicazioni finali.

Figura 4: La ROS in tensione (asse verticale) dell'antenna doppia 1-2309605-1 M2M MiMo LTE misurata con un cavo di 3 m RG174 mostra un valore basso su tutto il campo di frequenza attivo (asse x). (Immagine per gentile concessione di TE Connectivity)

Nella Figura 4, l'elemento a bassa frequenza n.1 è in verde, l'elemento ad alta frequenza n.2 è in rosso e gli elementi n.1 e n.2 nello spazio libero sono in nero, mentre il blu è per gli elementi n.1 e n.2 su un piano di massa di 400 × 400 mm.

Antenne co-localizzate

È possibile co-localizzare due o più antenne distinte per coprire più bande. Tuttavia, questo comporta diversi problemi potenziali. In primo luogo, c'è ovviamente il problema dello spazio e della minuteria di montaggio richiesti su un pannello o su un'altra superficie, così come i costi di installazione associati. In secondo luogo, emergono preoccupazioni circa l'interazione elettromagnetica tra le antenne che influenzerà la distribuzione dell'irradiazione e le prestazioni; questo limita il modo in cui possono essere posizionate l'una rispetto all'altra. Questa influenza reciproca si misura come isolamento dell'antenna e definisce in che misura un'antenna rileverà l'irradiazione di un'altra antenna.

La soluzione a questo dilemma è l'uso di una singola unità che combina più antenne all'interno di un unico alloggiamento o contenitore. Meccanicamente, questo riduce le dimensioni complessive, semplifica l'installazione e il passaggio dei cavi e offre un aspetto snello.

Elettricamente, significa che l'isolamento tra le antenne può essere misurato e specificato in anticipo, riducendo al minimo i problemi di influenza reciproca inaspettata o imprevista. Per la doppia antenna 1-2309605-1 M2M MiMo LTE, l'isolamento è di almeno 15 dB e aumenta verso i centri di entrambe le bande coperte dall'unità (Figura 5).

Figura 5: L'isolamento (asse y, dB) tra le due antenne all'interno del modulo a doppia antenna 2309605-1 M2M MiMo LTE è 15 dB o superiore, misurato in funzione della frequenza (asse x, MHz). (Immagine per gentile concessione di TE Connectivity)

Una funzione attiva di ricezione-antenna

Oltre alle due bande coperte dall'antenna doppia 1-2309605-1, molte applicazioni come la tracciabilità delle risorse hanno anche bisogno di ricevere i segnali da sistemi GPS GNSS (USA), Galileo (Europa) e Beidou (Cina) per informazioni di posizione o temporizzazione. Per semplificare questo compito ed evitare la necessità di un'altra antenna discreta esterna, TE offre il modello 1-2309646-1. Questo aggiunge una terza antenna di sola ricezione per i segnali GNSS tra 1562 e 1612 MHz alle due antenne dell'unità doppia.

Tuttavia, la necessità di ricevere segnali GNSS aggiunge un'altra sfida per il progettista che riguarda i principi base delle funzioni di trasmissione e di ricezione. Quando si usa per trasmettere, l'antenna e la sua linea di alimentazione sono in una situazione deterministica. Prelevano il segnale noto, controllato e ben definito dall'amplificatore di potenza (PA) del trasmettitore e lo irradiano. C'è poco da preoccuparsi del rumore interno su quel segnale, delle interferenze in banda o dei segnali fuori banda tra il PA e l'antenna.

A causa del principio di reciprocità valido per tutte le antenne, la stessa antenna fisica usata per trasmettere può essere usata anche per ricevere. Tuttavia, le condizioni operative per la ricezione sono molto diverse da quelle per la trasmissione. Poiché l'antenna tenta di acquisire un segnale con incognite in presenza di interferenze e rumori in banda e anche fuori banda, il segnale ricevuto desiderato non è deterministico in quanto ha molte caratteristiche casuali.

Inoltre, l'intensità del segnale ricevuto è bassa (nell'ordine dei microvolt o di pochi millivolt) e anche l'SNR è basso. Per i segnali GNSS, la potenza del segnale ricevuto è tipicamente tra -127 e -25 dBm, mentre il SNR è tipicamente compreso tra 10 e 20 dB. Questo segnale fragile sarà attenuato a causa delle perdite nel cavo tra l'antenna e il front-end del ricevitore e vedrà anche un deterioramento dell'SNR dovuto all'inevitabile rumore termico e di altro tipo nel cavo di trasmissione.

Per queste ragioni, 1-2309646-1 incorpora un LNA per la sua terza antenna GNSS di sola ricezione. Questo LNA fornisce un guadagno di 42 dB per i segnali GNSS, aumentando così significativamente la potenza del segnale ricevuto. Per semplificare l'uso dell'LNA, riceve la potenza (da 3 a 5 V c.c., a non più di 20 mA) attraverso il cavo coassiale del segnale RF amplificato utilizzando una tecnica di sovrapposizione ben consolidata.

L'alimentazione c.c. è inviata sul cavo tra l'unità ricevente e l'LNA (Figura 6). L'alimentazione c.c. per l'LNA (V1) non può raggiungere l'unità principale della radio (front-end) grazie a piccoli condensatori in serie (C1 e C2). Questi condensatori permettono al segnale RF amplificato dall'antenna (ANT1) di passare all'unità principale della radio (OUT). Allo stesso tempo, il segnale RF amplificato non può tornare all'alimentazione V1 grazie alle bobine di arresto in serie L1 e L2. In questo modo, l'alimentazione c.c. all'LNA e la RF amplificata dall'LNA all'unità principale della radio possono condividere lo stesso cavo coassiale di interconnessione.

Figura 6: L'alimentazione c.c. all'LNA dell'antenna può essere sovrapposta al cavo che trasporta l'uscita dell'antenna/LNA usando una disposizione intelligente di induttori e condensatori che separano e isolano l'alimentazione c.c. e il segnale RF su ogni estremità. (Immagine per gentile concessione di Electronics Stack Exchange)

La connessione fisica

Qualsiasi antenna o gruppo di elementi antenna deve avere un modo affidabile, economico ed elettricamente e meccanicamente sicuro per collegarsi e scollegarsi dal front-end radio. Inoltre, il gruppo antenna completo deve essere protetto dall'ambiente e facile da montare con un impatto minimo sulla superficie di montaggio.

Per soddisfare questi obiettivi, ogni banda di un 1-2309605-1 a due bande e di un 1-2309646-1 a tre bande è dotata di un cavo coassiale RG-174 di 3 metri, terminato con una spina SMA standard (Figura 7). Di conseguenza, collegare o scollegare una o più antenne è semplice e può essere eseguito in fabbrica durante l'assemblaggio del sistema o sul campo.

Figura 7: Ogni antenna all'interno di un 1-2309605-1 e 1-2309646-1 ha un proprio cavo coassiale RG-174 con terminazione a spina SMA per semplificare l'installazione, il collegamento, il collaudo e lo smontaggio, se necessario. (Immagine per gentile concessione di TE Connectivity)

Inoltre, il montaggio del modulo multi-antenna sulla superficie del sistema è facilitato dall'uso di una singola asta interna da 18 mm, più una piazzola acrilica adesiva intorno al bordo inferiore dell'alloggiamento dell'antenna. Il montaggio dell'antenna è veloce che non lascia elementi esposti che possano arrugginirsi, allentarsi o non essere serrati correttamente.

L'alloggiamento di queste antenne è ottimizzato per applicazioni mobili e di movimento ad alta velocità. L'unità così razionalizzata è larga solo 45 mm e lunga 150 mm con bordi smussati (simili alla "pinna di squalo" sul tetto delle automobili) per ridurre al minimo il suo coefficiente di attrito e la resistenza al vento. Inoltre, il materiale stabilizzato UV dell'involucro assicura che l'esposizione alla luce del sole non indebolisca nel tempo l'alloggiamento.

Conclusione

La connettività wireless mobile, ad alta velocità e multibanda per il settore dei trasporti richiede un gruppo antenna che possa soddisfare tutti gli esigenti obiettivi elettrici, ambientali e meccanici. I moduli a due e tre antenne di TE Connectivity forniscono antenne a banda bassa, banda alta e banda GNSS opzionale, insieme a un LNA interno per quest'ultima. Queste unità sono dotate di singoli cavi coassiali e connettori per ogni antenna, oltre a una semplice disposizione di montaggio in superficie o a pannello per facilitare l'installazione e fornire una robustezza ambientale critica.

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