Robusztus, többsávos antennák mobilkapcsolati problémák megoldására

Az okostelefonok és a tárgyak internetéhez kapcsolódó (IoT) eszközök mellett a mobil vezeték nélküli kommunikáció másik fő hajtóerejét a közlekedési alkalmazások képezik, beleértve a vasutakat, a teherautókat és az eszközök nyomon követést. Ezek az alkalmazások egyedi jelentős követelményeket támasztanak a rendszerben használt antennával szemben, például a rezgések, ütések, szélsőséges hőmérséklet, eső, páratartalom tűrése, továbbá, hogy széles sávszélességen, sőt több sávon keresztül kell működniük következetesen és egyenletesen.

Bár egy megfelelő antenna megtervezése és megépítése is egy járható út, szinte minden problematikus alkalmazásban a legcélszerűbb egy szabványos, megfelelően megtervezett, jól megépített, teljes körűen kiértékelt, készen kapható egységet használni. Ez csökkenti a költségeket és a fejlesztési időt, miközben növeli a végső kialakítás működőképességébe vetett bizalmat.

Ez a cikk a szállítmányozásban használt antennák tervezésével kapcsolatos kérdéseket vizsgálja. Ezután bemutat kettő többsávos antennát a TE Connectivity-től, amelyeket úgy terveztek, hogy egy burkolat felületére szerelhetők legyenek, ami magába foglalja egy egyszerű „dobozra”, de egy szabadon mozgó járműre való rögzítést is.

Az alkalmazási problémák fejlesztik a megvalósítási módokat

Az antenna az a létfontosságú elem, amely biztosítja az elektronikus áramkörök és a szabadtéri elektromágneses (EM) mezők közötti átvitelt, és a kialakításokban gyakran ez az a rész, amely a leginkább ki van téve a külső fizikai környezeti hatásoknak. Ettől függetlenül azonban a zord környezeti feltételek ellenére is biztosítania kell a kívánt elektromos és rádiófrekvenciás működést, méghozzá a a rendszer általános kialakításával kompatibilis méretformátumban.

A teherszállító rendszerek és különösen a nagysebességű személyszállító vasút esetében könnyen integrálhatónak kell lennie egy minimális légellenállású aerodinamikus burkolatba, amelynek ugyanakkor védelmet is kell nyújtania a zord környezeti feltételekkel szemben (1. ábra). Hasonló korlátozások vonatkoznak az eszközkövetési helyzetekre is, amikor az antennának szabadon kell lennie, hogy képes legyen venni a globális navigációs műholdrendszerek (GNSS) jeleit.

1. ábra: A különböző szabványokra épülő és eltérő sávokat használó mobilhálózati összeköttetés ma már hétköznapi elvárás a mobil, nagy sebességű létesítményekben, például a vonatokon, ami légellenállási és környezettűrési problémákat vet fel (kép: TE Connectivity)

Az optimális antenna az alkalmazásspecifikus műszaki jellemzők gondos keveréke, ideértve a kívánt sugárzási karakterisztikákat, a megfelelő impedanciaillesztést, az alacsony feszültség-állóhullám arányt (VSWR), a mechanikai integritást, a burkolati alkalmasságot és az elektromos csatlakozások egyszerűségét. Sok esetben szükség van a jelútvonal javítására és a front-end áramkörök jel-zaj arányának (SNR) maximalizálására is egy olyan aktív antenna alkalmazásával, amely integrált kis zajú erősítőt (LNA-t) tartalmaz.

Mint minden alkatrész esetében, itt is van néhány olyan legfontosabb műszaki paraméter, amelyet szinte minden antennakialakítás és berendezés jellemzésekor használnak, valamint olyanok is, amelyek az adott helyzetektől függően lehetnek többé-kevésbé kritikusak. Az antennák esetében a sugárzási karakterisztikájuk és a megadott sávon belüli megfelelő működésük a kettő kulcsfontosságú szempont.

Antennákra vonatkozó alapkövetelmények megvalósítása

A szállításhoz és eszközkövetéshez használt antennák orientációja egy kezelendő probléma, mivel a helyzet és irány véletlenszerű és változó, ezért fontos, hogy a megadott frekvenciasávban felülről és oldalról nézve is konzisztens, körsugárzó karakterisztikával rendelkezzenek.

A TE Connectivity 1-2309605-1 M2M MiMo LTE kétantennás modulja például mind a 698-960 MHz, mind az 1710-3800 MHz közötti sávokat támogatja, és 2G, 3G, 4G, mobilhálózati, GSM és LTE alkalmazásokra szánták (2. ábra). Egyetlen (antenna)modul azért lehet hatékony mindezen felsorolt szabványhoz, mert működése nem függ az általa közvetített jel formátumától vagy az általa támogatott szabványtól; kialakítására nézve elsősorban a frekvencia, a sávszélesség és a teljesítmény a meghatározó tényezők.

2. ábra: A TE Connectivity gyártmányú 1-2309605-1 egyetlen, két független antennából álló modul, az egyik a 698-960 MHz-es, a másik az 1710-3800 MHz-es tartományban való működéshez (kép: TE Connectivity)

Megjegyzendő, hogy a „kétantennás” kifejezés nem tévesztendő össze a „kétsávos” antennával. Egy kétantennás eszköz, mint például az 1-2309605-1 két független antennát tartalmaz egyetlen házban, amelyek mindegyike saját táppal rendelkezik, míg egy kétsávos egység egyetlen antennával és egy tápegységgel rendelkezik, és ezeket két (vagy több) sáv támogatására tervezték.

Ha az 1-2309605-1 alsó sávi antennáját nézzük, annak sugárzási karakterisztikája mind a felső, mind az oldalsó irányban egyenletes az adott sávszélességen, az alsó határétéknek számító 700 MHz körüli frekvenciáktól kezdve, egészen a felső frekvenciákig, körülbelül 900 MHz-ig (3. ábra).

3. ábra: Az 1-2309605-1 sugárzási karakterisztikái meglehetősen egyenletesek 700, 800 és 900 MHz-en (felső sor, középső sor, alsó sor), egyaránt oldalirányból (balról) és felülről (jobbra) nézve is (kép: TE Connectivity)

700 MHz-en (a frekvenciasáv alsó határértékén) egy izotróp antennához viszonyított erősítésük mindössze 1,5 dBi (dBi, az antenna irányíthatóságát jelző szabványos mérőszám), ami meglehetősen egyenletes sugárzási karakterisztikát jelent. Ennek az uniformitásnak és egyenletességnek köszönhetően az antenna teljesítménye egyenletes, és nem függ annak tájolásától. Továbbá, a sugárzási karakterisztika elfogadhatóan egyenletes a 900 MHz-es felső frekvenciahatáron is, mindössze 4,5 dBi erősítéssel.

Az antennák egy másik fontos paramétere a VSWR, amelynek formális definíciója a maximális és a minimális feszültség aránya, vagy az átvitt és a visszavert feszültség-állóhullámok aránya egy veszteségmentes átviteli vonalon. Ideális esetben a VSWR értéke 1:1. Mivel ezt gyakran nehéz elérni, általánosan elfogadott, hogy egy alacsony egyszámjegyű VSWR érték már jónak számít.

Az 1-2309605-1 M2M MiMo LTE kétantennás eszköz esetében, amely akár 20 W adási teljesítményre is képes, a VSWR maximális értéke 3 méteres RG174 kábellel mérve 3:1 körül van a frekvenciasáv egyik határértéke körül, míg a működési sáv legtöbb részén 1,5:1-hez van közel (4. ábra). A célzott alkalmazások nagy része esetében ez általában elfogadhatóan alacsony.

4. ábra: Az 1-2309605-1 M2M MiMo LTE kétantennás modul 3 m-es RG174 kábellel mért VSWR-értéke (függőleges tengely) a teljes aktív frekvenciatartományban (x-tengely) alacsony (kép: TE Connectivity)

A 4. ábrán a zöld görbe az 1-es számú, alacsonyabb frekvenciasávú antennaelem, a piros görbe a 2-es számú, magasabb frekvenciásávú antennaelem, a fekete az 1-es és 2-es antennaelemek görbéje szabad térben, míg a kék az 1-es és 2-es elemek görbéje egy 400 × 400 milliméteres (mm) vízszintes síkban.

Együtt elhelyezett antennák

Több sáv lefedése érdekében két vagy több különálló antenna együttesen is elhelyezhető. Ez azonban számos lehetséges problémához vezet. Először is, a legnyilvánvalóbb talán a többlet helyigény és a panelre vagy más felületre történő rögzítéshez szükséges további szerelőelemek száma, valamint ez ezzel járó telepítési költségek kérdése. Másodszor, oda kell figyelni az antennák közötti elektromágneses kölcsönhatásra, ami befolyásolja az antennák sugárzási karakterisztikáját és teljesítményét – következésképpen ez korlátozza az antennák egymáshoz viszonyított elhelyezhetőségét. Az antennák ezen egymásra gyakorolt kölcsönhatását az antennák közötti izolációként mérik, ami definíció szerint az, hogy egy antenna milyen mértékben veszi fel egy másik antenna sugárzását.

A megoldás erre a dilemmára egy egyetlen antennamodul használata, amely több antennát tartalmaz egyetlen házon vagy burkolaton belül. Szerkezeti szempontból ez csökkenti az összméretet, egyszerűsíti a telepítést és az antennakábelek elvezetését, valamint áramvonalas külső megjelenést biztosít.

Elektromos szempontból pedig ez azt jelenti, hogy az antennák közötti izoláció előre mérhető és számításba vehető, így minimálisra csökkenthetők a váratlan vagy előre nem látható kölcsönhatások miatti problémák. Az 1-2309605-1 M2M MiMo LTE kétantennás modul esetében az izoláció legalább 15 dB, amely az egység által kiszolgált mindkét sáv közepe felé növekszik (5. ábra).

5. ábra: A 2309605-1 M2M MiMo LTE kétantennás modul két antennája közötti izoláció (y-tengely, dB) legalább 15 dB, a frekvencia függvényében mérve (x-tengely, MHz) (kép: TE Connectivity)

Aktív vevőantenna funkció

Az 1-2309605-1 kétantennás modul által lefedett két sáv mellett számos alkalmazás esetében, például az eszközkövetésnél a GPS (USA), a Galileo (Európa) és a Beidou (Kína) GNSS-rendszerek jeleit is fogadni kell a pozíció- vagy időzítési információkhoz. Ennek a feladatnak az egyszerűsítésére a TE az 1-2309646-1-et kínálja, amellyel elkerülhető egy másik külső diszkrét antenna szükségessége. Ez egy harmadik, csak vételre alkalmas antennával bővíti a kétantennás modult a GNSS-jelek 1562-1612 MHz közötti fogadására.

A GNSS-jelek vételének szükségessége azonban újabb problémákat vet fel a rendszer tervezője számára, amely az adási és vételi működésben rejlő különbségekhez köthető. Adás közben az antenna és tápvezetéke determinisztikus állapotban van. Az adó teljesítményerősítőjéből ismert, szabályozott, jól definiált jel kerül átvételre és kisugárzásra. A jel belső zaja, a sávon belüli interferencia vagy a teljesítményerősítő és az antenna közötti sávon kívüli jeltovábbítás miatt nem kell aggódni.

A minden antennára érvényes kölcsönösségi elv szerint ugyanaz a fizikai antenna, amelyet adásra használnak, vételre is használható. Vételkor azonban a működési feltételek egészen mások, mint adáskor. Mivel az antenna ismeretlen jelet próbál rögzíteni sávon belüli (sőt sávon kívüli) interferencia és zaj mellett, a kívánt vételi jel nem determinisztikus, mivel számos véletlenszerű tulajdonsággal rendelkezik.

Ezenkívül a vett jel erőssége alacsony (mikrovolt és néhány millivolt közötti nagyságrendű), és ugyanúgy alacsony az SNR is. A GNSS-jelek esetében a vett jel teljesítményének 1 mW-hoz viszonyított értéke -127 és -25 dB között van, míg az SNR jellemzően 10 és 20 dB közötti. Ez a halovány jel tovább gyengül az antenna és a vevő oldali front-end áramkörök közötti kábelben fellépő veszteségek miatt, és az átviteli kábelben elkerülhetetlenül fellépő termikus és egyéb zajok is rontják az SNR-jét.

Ezen okokból kifolyólag az 1-2309646-1 egy kis zajú erősítőt (LNA-t) is tartalmaz a harmadik, csak vételre szolgáló GNSS-antennához. Az LNA 42 dB-es erősítést biztosít a GNSS-jelek számára, jelentősen megnövelve ezzel a fogadott jel erősségét. Használatának egyszerűsítése érdekében az LNA a tápellátást (3-5 V DC, max. 20 mA) az erősített RF jel koaxiális kábelén keresztül kapja egy jól bevált szuperpozíciós technika segítségével.

Az egyenáram a vevőegység és az LNA közötti kábelen továbbítódik (6. ábra). Az LNA számára biztosított egyenfeszültséget (V1) kisértékű soros kondenzátorok (C1 és C2) akadályozzák meg abban, hogy az eljusson a rádió fejegységéhez (front-end). Ezek a kondenzátorok viszont engedélyezik, hogy az antennából (ANT1) érkező felerősített RF jel átjusson a rádió fejegységéhez (OUT). Ugyanakkor az L1 és L2 soros induktorok (fojtók) megakadályozzák a felerősített RF jelet abban, hogy visszajusson a V1 tápegységhez. Ily módon az LNA egyenáramú tápellátása és az LNA-tól a rádió fejegységéhez vezetett felerősített RF-jelek ugyanazt az összekötő koaxiális kábelt használhatják.

6. ábra: Ügyesen elrendezett induktivitásokkal és kondenzátorokkal, amelyek mindkét végén elválasztják és elkülönítik az egyenáramú tápellátást és az RF jelet egymástól, az antenna kiszajú erősítője számára biztosított egyenáramú tápellátás az antenna/LNA kimeneti kábelére szuperponálható. (kép: Electronics Stack Exchange)

A fizikai kapcsolat megteremtése

Minden antennának vagy antennaelem-csoportnak megbízható, kényelmes valamint elektromosan és mechanikailag biztonságos módon kell csatlakoztathatónak és leválaszthatónak lennie az általa kiszolgált rádió fejegységéről. Továbbá, a teljes antennaegység számára biztosítani kell a környezettel szembeni védelmet, és a kialakításnak olyannak kell lennie, hogy az a szerelési felületet minimálisan befolyásolva könnyen felszerelhető legyen.

E célok elérése érdekében a kétsávos 1-2309605-1 és a háromsávos 1-2309646-1 minden sávja egy szabványos SMA dugóval lezárt 3 méteres RG-174 koaxiális kábellel van ellátva (7. ábra). Ennek köszönhetően az antennák csatlakoztatása vagy leválasztása egyszerű, és a rendszer összeszerelése során a gyárban könnyen elvégezhető, vagy a terepen, amikor az antennamodult kiegészítő elemként szerelik fel.

7. ábra: Az 1-2309605-1 és az 1-2309646-1 modulokban lévő egyes antennák mindegyike saját RG-174 koaxiális kábellel rendelkezik, SMA dugós lezárással, ami egyszerűsíti a telepítést, a rögzítést, a tesztelést és szükség esetén a szétszerelést (kép: TE Connectivity)

Továbbá, a többantennás modulnak a rendszer felületéhez való rögzítését megkönnyíti egy egyetlen belső 18 mm-es rögzítő rúd, valamint az antennaház alsó széle körül elhelyezett akril ragasztópárna. Az antenna rögzítése gyors művelet, és nem hagy maga után szabadon esetlegesen rozsdásodó, meglazulható vagy nem megfelelő nyomatékkal meghúzott rögzítőelemeket.

Ezeket az antennaházakat mobil, nagy sebességű mozgó alkalmazásokhoz optimalizálták. Az áramvonalas egység mindössze 45 mm széles és 150 mm hosszú, lekerekített élekkel rendelkezik (hasonlóan az autók tetején található „cápauszonyos” kialakításhoz), hogy minimalizálja a légellenállási együtthatót és a légellenállást. Továbbá, az UV-stabilizált anyagból készült burkolatnak köszönhetően a napfénynek való kitettség idővel nem gyengíti a burkolatot.

Összegzés

A szállítmányozási alkalmazásokhoz való mobilhálózati, nagysebességű, többsávos vezeték nélküli összeköttetés az igényes elektromos, környezeti és mechanikai célkitűzéseknek megfelelő antennaegységet igényel. A TE Connectivity két- és háromantennás moduljai az alacsony és magas sávban valamint opcionálisan GNSS-sávban használható antennákat, valamint az utóbbiak esetében egy beépített kiszajú erősítőt biztosítanak. Ezek az egységek minden egyes antennához külön koaxiális kábellel és csatlakozóval vannak felszerelve, valamint úgy vannak, kialakítva, hogy egyszerűen felületre vagy panelre szerelhetők legyenek a telepítésük megkönnyítése és a környezettel szembeni ellenállás biztosítása érdekében.

Kapcsolódó tartalom

1. TE Connectivity: „Antennák”
2. DigiKey: „A huzalokon túl: az antennák fejlődése és alkalmazkodása az igényes vezeték nélküli követelményekhez”
3. DigiKey: „Miért kulcsfontosságú egy jó kiszajú erősítő az életképes antenna front-endek kialakításához”