A hagyományos és az 5G vezeték nélküli IoT-hálózatok egyidejű kiszolgálása széles sávú antennák használatával

Az 5G alapú vezeték nélküli kapcsolatok a kézenfekvő fogyasztói okostelefonok mellett a beágyazott felhasználások olyan különböző rétegeit célozzák meg, mint a dolgok internete (IoT), a gépek közötti (MTM) kapcsolatok, az intelligens villamos hálózat, az automaták, az átjárók, az útválasztók, a biztonság és a távfelügyeleti összeköttetés. Az 5G-re való átállás azonban nem fog egyik napról a másikra megtörténni. Ez olyan antennákat tesz szükségessé a vezeték nélküli kommunikációs kapcsolatok fogyasztói oldalán, amelyek képesek kiszolgálni az 5G, valamint a régi 2G, 3G és más olyan nem 5G kapcsolatokat is, amelyek még az 5G elterjedése esetén is évekig a használatban maradnak.

Emiatt a mérnököknek az 5G szabványokat támogató sávokon kívül más sávokra is tervezniük kell a termékeiket. Még ha a belső rádiófrekvenciás felhasználói rész vagy a teljesítményerősítő különbözik is az egyes sávok esetében, előnyös, ha egyetlen széles sávú antennával ki lehet szolgálni mind az 5G-s, mind a hagyományos sávokat.

Ez a cikk az 5G spektrum alsó sávját, valamint a hagyományos sávokat kiszolgáló széles sávú antennákkal foglalkozik, és az Abracon LLC cég szemléltető termékeivel mutatja be ezeket. A cikk ismerteti, hogy az ilyen típusú antennák használata – akár látható külső egységként, akár beágyazott belső egységként használva – hogyan egyszerűsítheti a tervezést, csökkentheti az anyagszükségletet, és szükség esetén hogyan könnyítheti meg az 5G-re történő továbbfejlesztést.

Kezdjük a szabályozott sávokkal

Az antennák a rádiófrekvenciás adásútvonal utolsó elemei, illetve az azt kiegészítő vételi útvonal első elemei. Az antenna egyfajta átalakítóként működik az áram és a feszültség áramköri világa, valamint a kisugárzott energia és az elektromágneses mezők rádiófrekvenciás világa között.

Az antennának a kívánt felhasználáshoz való kiválasztásakor fontos szem előtt tartani, hogy az antenna a moduláció típusától és a használt ipari szabványtól függetlenül működik. Az antenna kiválasztásához használt paraméterek – például a középfrekvencia, a sávszélesség, a nyereség, a névleges teljesítmény vagy a fizikai méret – egyike sem függ attól, hogy az antennát amplitúdó-, frekvencia- vagy fázismodulált (AM, FM, PM) jelekhez, illetve 3G, 4G, 5G jelekhez vagy akár egyedi jelformátumokhoz használják.

Természetesen az 5G szabvány elemeit támogató új készülékeket tartalmazó rendszerek tervei jelentős figyelmet kapnak a tervezés során, különösen a 6 GHz alatti 5G-sávok esetében, ahol a legtöbb 5G-tevékenység zajlik. Fontos különbséget tenni a rendszer által támogatott vezeték nélküli szabvány, valamint használni kívánt, az antenna kiválasztását meghatározó frekvencia és spektrum között.

Az új 5G-szabványok a spektrum korábban el nem érhető szegmenseit használják ki, ám közben a nagyobb átviteli teljesítmény érdekében magasabb szintű modulációs sémák beépítésével hasznosítják a spektrum egyes már eddig is használt részeit is. Így előfordulhat, hogy miközben az iparág és a szolgáltatók egy meglévő szabvány támogatását fokozatosan megszüntetik (vagy kivezetik), mint például a 3G-t 2022-ben, a 3G által használt spektrum egyes részeit továbbra is használja a 4G, sőt az 5G szabvány is (1. ábra).

1. ábra: A 600 MHz és 6000 MHz közötti frekvenciák több szabványt is támogatnak, például a 3G-t, a 4G-t és az 5G-t is, némi spektrumátfedéssel (kép: Abracon LLC)

Ez azt jelenti, hogy a 3G vagy 4G sávokat támogató antennák az 5G-hez is használhatóak lehetnek, és fordítva. Lehet, hogy a szabványt kivezetik, de az antennák továbbra is használhatóak maradhatnak, és kompatibilisek lehetnek a korábbi vagy későbbi szabványokkal. A több szabványt és sávot támogató antennák újrafelhasználása minden ilyen esetben praktikus és gyakran kívánatos megoldás.

A 600 MHz és 6 GHz közötti rádiófrekvenciás spektrum további fontos szabványai a következők:

• CBRS (Citizens Broadband Radio Service, lakossági CB-rádió), egy enyhén szabályozott, 150 MHz széles szegmens a 3550 MHz – 3700 MHz (3,5–3,7 GHz) közötti tartományban. Az Amerikai Egyesült Államokban a Szövetségi Távközlési Hivatal (FCC) ezt a szolgáltatást a felhasználók alábbi három szintje közötti megosztásra jelölte ki: hivatali felhasználók, elsőbbségi hozzáférési engedéllyel (PAL) rendelkező felhasználók és általános hozzáférési engedéllyel (GAA) rendelkező felhasználók.
• LTE-M, ami az LTE Cat-M1 (gyakran CAT M néven is emlegetik) vagy Long-Term Evolution (hosszú távú fejlődés) (4G), M1 kategória rövidítése. Ez a technika azt teszi lehetővé, hogy az alacsony kihasználtsági ciklusú, akkumulátorral működő IoT-eszközök közvetlenül, átjáró nélkül csatlakozhassanak a 4G-hálózathoz.
• NB-IoT (Narrowband-IoT, a dolgok internetére kapcsolódó keskeny sávú eszközök), egy mobiltelefon-minőségű vezeték nélküli technika, amely a 3G-n belül ortogonális frekvenciaosztásos multiplexelést (OFDM) használ. Ez a 3GPP (harmadik generációs partnerségi projekt) – a mobiltelefonos rendszerek szabványosítása mögött álló szervezet – kezdeményezése, amely a mobiltelefon-hálózatokhoz csatlakozó, nagyon kis adatátviteli sebességű, gyakran szintén akkumulátorral működő eszközök igényeinek kielégítésére irányul.

Egy megjegyzés a széles sávú és többsávos szakkifejezéssel kapcsolatban, mivel fennáll a félreértés és a félreérthetőség lehetősége. A „széles sávú” olyan antennára utal, amelynek sávszélessége a középfrekvenciájának jelentős hányadát teszi ki. Bár hivatalos definíció nincs erre a számra, nem hivatalosan általában olyan sávszélességet jelent, amely a középfrekvencia legalább 20–30 százalékának felel meg. Ezzel szemben a „többsávos” olyan antennát jelent, amelyet úgy terveztek, hogy a szabványok által meghatározott két vagy több sávot támogasson. Ezek a sávok lehetnek szorosan egymás mellett, de akár egymástól távol is.

A többsávos antennára egy szélsőséges példa egy olyan antenna, amely egyszerre használható az AM (550–1550 kHz) és az FM (88–108 MHz) adás-vételhez. A többsávos antenna lehet széles sávú, de nem feltétlenül az.

Függetlenül attól, hogy az antenna hány sávot támogat, azok milyen messze vannak egymástól és mekkora a sávszélességük, a többsávos antennának is csak egy rádiófrekvenciás kapcsolata van, még akkor is, ha belsőleg két vagy több különböző kombinált antennából áll. Az egyszerűbb széles sávú antennákkal ellentétben a többsávos antennákat szándékosan úgy tervezik, hogy a sávszélességen belül legyenek nyereségi hézagok az egyes lefedett sávok között, így csökkentve minimálisra a csatornák közti zavarokat.

Belső vagy külső antenna

Az a vezeték nélküli összeköttetésre vonatkozó szabvány, amelyhez az antennát használni fogják, nem az antenna tervezésével kapcsolatos kérdés, viszont a frekvencia és a sávszélesség mindenképpen olyan szempontok, amelyek miatt fontos döntés az antenna fizikai megvalósításának módja. Az egyik fő tervezési szempont, hogy külső vagy a végtermékbe ágyazott antennát használjunk-e.

A belső antennák jellemzői:

• Lehetővé teszik a karcsúbb csomagolást, és nincsenek külső csatlakozási pontok, amelyek letörhetnek vagy beakadhatnak.
• A beágyazott antenna mindig csatlakoztatva van és rendelkezésre áll.
• A lefedettség, a hatásfok, a sugárzási jelleggörbe és a teljesítményt érintő egyéb szempontok tekintetében a kialakításukból eredő korlátaik vannak.
• A beágyazott antenna teljesítményét befolyásolják a szomszédos áramkörök, ezért elhelyezése szorosan összefügg a nyomtatott áramköri lap méretével, elrendezésével, alkatrészeivel és általános kialakításával.
• A felhasználó keze vagy teste módosíthatja az antenna jelleggörbéit, hatásfokát és a teljesítményét.

Ezzel szemben a külső antennák jellemzői:

• Több lehetőséget kínálnak a sugárzási jelleggörbe, a sávszélesség és az erősítés testreszabására, mivel nagyobb szabadságot adnak a tervezés során.
• A külső antennákat nem kell közvetlenül az IoT/RF (a dolgok internetére kapcsolódó/rádiófrekvenciás) egységhez csatlakoztatni, és koaxiális kábel használatával optimálisan helyezhetők el azoktól nem túl nagy távolságban.
• A terméktervezés és tokozás villamos szempontjai kevésbé vagy egyáltalán nem befolyásolják őket.
• Többféle kialakításban és összeállításban kaphatóak.
• A csatlakoztatáshoz csatlakozóra vagy kábelre van szükség, ami meghibásodási pont lehet.

A külső és a belső antenna közötti választás általában több szempontot figyelembe véve dől el. Ezek közé tartozik, hogy milyen célra fogják használni a végterméket, valamint a felhasználó szempontjai, összevetve a teljesítménnyel és azzal, hogy az antennát mobil vagy helyhez kötött módon használják-e. Például egy külső antennával ellátott okostelefont az emberek kényelmetlennek tartanának. Ezzel szemben egy külső, esetleg kissé távolabb elhelyezett antennával ellátott, helyhez kötött IoT-csomópont jobb és egységesebb kapcsolatot biztosíthat.

A többsávos antennák előnyei

A többsávos antennák elégségesek lehetnek a jelenlegi felhasználási területeiken, miközben időtállóvá tehetik a készülékeket a későbbi fejlesztésekhez, beleértve az 5G-csatlakoztathatóságot is. De miért érdemes fontolóra venni egy ilyen antennát, ha ismertek a telepítési paraméterek és sajátosságok? Ennek több jó oka is lehet:

• Egyféle antenna használható a különböző sávokat megcélzó termékcsaládokban, ami egyszerűsíti a készletgazdálkodást és a beszerzést.
• A belső többsávos antenna kisebb tokméretet eredményez, míg a külső többsávos antenna csökkenti a termékházon lévő antennacsatlakozók számát.
• A többsávos antenna kiszolgálhat olyan IoT-eszközöket, amelyeknél lehetséges vagy várható egy új sávra, például 5G-re történő továbbfejlesztés, akár teljesítményokokból, akár a meglévő sáv vagy szabvány megszűnése miatt.
• Egyetlen többsávos külső antenna lehetőséget ad ugyanazon telepítési technikák és szerszámok használatára.
• A kritikus helyhez kötött és különösen a mobil készülékek esetében az eszköz rádiófrekvenciás része kétsávos támogatást nyújthat, lehetővé téve az eszköz számára, hogy optimális teljesítmény elérése érdekében az adott helyen vagy környezetben dinamikusan váltson a sávok között.
• A tervezők használhatják ugyanazt a belső többsávos antennát egymástól független eszközökben, de az antenna modellezésével, elhelyezésével és az esetleges gyártási problémákkal kapcsolatos tapasztalataik kihasználásával előnyre tehetnek szert.

Példák tényleges többsávos antennákra

Széles sávú teljesítményük ellenére a többsávos antennáknak nincs korlátozva a mérete, formája és a használt csatlakozótípusok sem, amint azt alábbi három példa is mutatja.

Az AEBC1101X-S egy ostorantenna 5G/4G/LTE mobilhálózatokhoz, 115 mm hosszú, legnagyobb átmérője 19 mm, és 600 MHz és 6 GHz közötti működésre tervezték (2. ábra). Egy szabványos SMA csatlakozódugóval van ellátva, amely 90°-kal elforgatható a termékházra történő közvetlen felszereléshez (koaxiális hosszabbítókábellel is használható). Fordított polaritású SMA csatlakozóval is kapható.

2. ábra: A mobilhálózatokhoz való AEBC1101X-S 5G/4G/LTE ostorantennát 600 MHz és 6 GHz közötti működésre tervezték, és egy beépített, 90°-ban elforgatható SMA koaxiális csatlakozóval van ellátva (kép: Abracon LLC)

A feszültség–állóhullám arány (VSWR) és a legnagyobb nyereség meglehetősen állandó a teljes sávban, bár a hatásfokban tapasztalható némi eltolódás az alsó és felső frekvenciatartományok között (3. ábra).

3. ábra: A mobilhálózatokhoz való AEBC1101X-S 5G/4G/LTE ostorantenna teljesítménye szerény mértékben változik a kis (600–960 MHz) és a nagy (1400–6000 MHz) frekvenciatartományok között (kép: Abracon LLC)

A sugárzási jelleggörbe a teljes sávban meglehetősen kör alakú, bár 3600 MHz-nél megjelenik néhány kisebb szirom, amelyek 5600 MHz-nél kissé szembetűnőbbé válnak (4. ábra).

4. ábra: Az AEBC1101X-S X–Y síkban mért sugárzási jelleggörbéje 3600 MHz és 5600 MHz között megváltozik, megjelenik rajta néhány szirom (kép: Abracon LLC)

Az AECB1102XS-3000S 5G/4G/LTE/NB-IoT/CAT késantenna (más néven kard- vagy lapátantenna), amely szintén 600 MHz és 6 GHz közötti használatra alkalmas, 115,6 mm hosszú, 21,7 mm széles, és nagyon vékony, mindössze 5,8 mm-es profilú (5. ábra). Úgy tervezték, hogy egyszerűen és kényelmesen, ragasztószalaggal sík felületre szerelhető legyen.

5. ábra: Az AECB1102XS-3000S 5G/4G/LTE/NBIOT/CAT késantenna, amely szintén 600 MHz-től 6 GHz-ig használható, egy vékony profilú antenna, amelyet úgy terveztek, hogy egyszerűen, ragasztószalaggal sík felületre szerelhető legyen (kép: Abracon LLC)

Rádiófrekvenciás teljesítménye hasonló az AEBC1101X-S antennáéhoz, a legnagyobb feszültség–állóhullám aránya (VSWR) 3,5 alatt van, de az (izotróp sugárzóhoz képesti) legnagyobb nyeresége valamivel kisebb, csak 2 dBi. Az X–Y és X–Z síkban a sugárzási jelleggörbéje is bonyolultabb (6. ábra).

6. ábra: Az AECB1102XS-3000S késantenna X–Y és X–Z síkban mért sugárzási jelleggörbéje bonyolultabb rajzolatot és sokkal több szirmot mutat, mint az ostorantennáé (kép: Abracon LLC)

Jelentős különbség van az AEBC1101X-S és az AECB1102XS-3000S között a rendelkezésre álló csatlakozókat tekintve. Az AECB1102XS-3000S késantenna alapfelszereltségként egy 1 m hosszú LMR-100 koaxiális kábellel (ez váltotta fel az RG174 és RG316 kábeltípusokat) van ellátva, amely a széles körben használt SMA csatlakozódugóval van lezárva. Rendelhető azonban szinte bármilyen hosszúságú kábellel, és a nagyobb csatlakoztatási rugalmasság érdekében az SMA mellett más csatlakozótípusok is az alapfelszereltség részének számítanak (7. ábra).

7. ábra: Az AECB1102XS-3000S alapfelszereltségnek számító koaxiális kábele SMA (M) csatlakozóval van lezárva, de a gyártó számos más csatlakozót (jelmagyarázat: M: dugó, F: aljzat) is kínál a termékhez (kép: Abracon LLC)

A 600–6000 MHz között használható ACR4006X széles sávú kerámia lapkaantenna egy mindössze 40 mm × 6 mm méretű, 5 mm magas, felületszerelhető eszköz. Működés közben egy 8,2 nH értékű induktorból és egy 3,9 pF értékű kondenzátorból (mindkettő 0402 méretű, azaz 1,0 mm × 0,5 mm nagyságú) álló parányi induktor-kondenzátor (LC) impedanciaillesztő rezgőkörre van szükség a kívánt 50 Ω impedancia eléréséhez (8. ábra).

8. ábra: Az ACR4006X 600–6000 MHz-es széles sávú kerámia lapkaantenna alapterülete mindössze 40 mm × 6 mm, és csak két parányi passzív alkatrészre van szükség az 50 Ω-os impedanciaillesztéshez (kép: Abracon LLC)

Az ACR4006X adatlapja szerint 600–6000 MHz-es eszközről van szó, de figyelje meg, hogy a hatásfok, a legnagyobb nyereség és az átlagos nyereség grafikonja mutat bizonyos hézagokat (9. ábra). Ez szándékos, mert ezt a többsávos antennát úgy tervezték és optimalizálták, hogy az adott tartományon belül három meghatározott sávban működjön: 600–690 MHz, 1710–2690 MHz és 3300–6000 MHz között, támogatva így a 3G, 4G és 5G sávkiosztásokat, valamint néhány kisebb spektrumkiosztást.

9. ábra: Az ACR4006X 600 MHz és 6000 MHz közötti hatásfokát és nyereségét mutató grafikonokon vannak bizonyos hézagok, de ezek a felhasználók számára nem lényegesek, mert nem esnek a 3G, a 4G és az 5G működési sávjaiba (kép: Abracon LLC)

Mivel az ACR4006X antennát nem GPS-vevőkhöz tervezték, az 1575,42 MHz-es (L1 vivő) és az 1227,6 MHz-es (L2 vivő) GPS-vivőfrekvencián nincs megadva a teljesítménye.

Az ACR4006X X–Y síkban mért sugárzási jelleggörbéje szintén a frekvencia függvénye, de még mindig nagyjából kör alakú marad az antenna széles sávjában, csak némi szerény nyereségcsökkenés van 90°-nál és 270°-nál a kisebb frekvenciatartományokban (10. ábra).

10. ábra: Az ACR4006X lapkaantenna X–Y síkban mért sugárzási jelleggörbéje nagyjából kör alakú, de 90°-nál és 270°-nál mutat némi frekvenciafüggő nyereségcsökkenést (kép: Abracon LLC)

Az antenna teljesítményének értékelése az adatlappal kezdődik, amelyet gyakran egy visszhangmentes kamrában történő ellenőrzés követ, majd végül a végtermékkel végzett helyszíni tesztek következnek. A külső antenna tényleges teljesítményét befolyásoló tényezők: a burkolat, mobil egységek esetében a felhasználó teste és keze, valamint az antenna helye és elhelyezése. Ez nagymértékben független a termék belső nyomtatott áramköri lapjának elrendezésétől.

Ezzel szemben egy belső egység, például az ACR4006X lapkaantenna teljesítményét befolyásolják a szomszédos alkatrészek és maga a nyomtatott áramköri lap is. Az Abracon ezért kínálja az ACR4006X-EVB fejlesztőkártyát, amely megkönnyíti a lapkaantenna mérnöki szempontból történő értékelését.

A fejlesztőkártyát egy vektoros hálózatelemzővel (VNA) együtt használják. Az összeállítás kezdeti kalibrálása után – amely a legtöbb VNA-teszt szokványos lépése – az antenna teljesítményét a VNA kalibrált portján keresztül, a fejlesztőkártyán található SMA csatlakozó segítségével értékelik.

A fejlesztőkártya mérete 120 mm × 45 mm, és pontosan a lapkaantenna megfelelő elhelyezéséhez van méretezve. Ki van rajta alakítva a megfelelő működéshez szükséges 45 mm × 13 mm-es fém–föld távolság is az antenna körül (11. ábra).

11. ábra: Az ACR4006X-EVB fejlesztőkártya mindössze 120 mm × 45 mm méretű, és megkönnyíti a lapkaantennának az SMA csatlakozón keresztül történő értékelését. Az adatlap mutatja az elrendezés szempontjából kritikus területeket és méreteket (kép: Abracon LLC)

Összegzés

A többsávos antennák megfelelnek a dolgok internetére csatlakozó (IoT-) eszközök jelentette kihívásoknak, különösen azok, amelyeknek most csak egy sávot kell támogatniuk, ám közben az újabb szabványokra, például az 5G-re való zökkenőmentes továbbfejlesztési lehetőséget kínálnak. Lehetővé teszik továbbá, hogy a rendszer a teljesítmény optimalizálása érdekében több sávot is támogasson olyan zónákban, ahol egyetlen sávon nem biztosított a kapcsolat. Mint látható, az Abracon nyomtatott áramköri lapra szerelt belső antennái karcsúbb csomagolást tesznek lehetővé, míg a beépített rádiófrekvenciás csatlakozót vagy koaxiális kábelcsatlakozást használó külső antennák rugalmas elhelyezést kínálnak az optimális jelútvonal érdekében.