Hur man tillgodoser både äldre och trådlösa IoT-nätverk för 5G med hjälp av bredbandiga antenner

Förutom för ofta förekommande smartphones för konsumenter, är 5G-baserade trådlösa länkar avsedda för olika inbäddade tillämpningar, som t.ex. sakernas internet (IoT), maskin-till-maskin-länkar (MTM), smarta elnät, varuautomater, gateways, routrar, säkerhet och fjärrövervakningsanslutningar. Men, övergången till 5G kommer inte att ske över en natt. Detta skapar ett behov av antenner i den trådlösa kommunikationslänkens ytterkant som kan tillgodose 5G, liksom äldre 2G-, 3G- och andra länkar som inte är 5G, som kommer att finnas kvar i många år framöver, även när 5G sprids.

Av dessa skäl måste ingenjörer konstruera produkter för andra band än de som stöder 5G-standarden. Även om den interna RF-frontenden eller effektförstärkaren skiljer sig åt för respektive band, så finns det fördelar med att ha en enda bredbandsantenn som kan betjäna både 5G-band och äldre band.

Artikeln handlar om bredbandsantenner som betjänar det lägre 5G-spektrumet och även äldre band, som representeras av illustrativa enheter från Abracon LLC. Artikeln visar hur användning av den här typen av antenner - antingen som synliga externa enheter eller interna inbyggda - kan underlätta konstruktionen, förenkla materiallistan (BOM) och möjliggöra installation av en uppgradering till 5G vid behov.

Börja med reglerade band

Antenner är den sista delen i RF-sändarens signalväg och den första i den motsvarande mottagarens signalväg. Antennens funktion är att agera som en omvandlare mellan kretsarnas värld med ström och spänning och radiofrekvenserans värld med utstrålad energi och elektromagnetiska fält.

När du väljer en antenn för den aktuella tillämpningen är det viktigt att tänka på att antennen fungerar oberoende av vilken typ av modulering eller branschstandard den används för. Ingen av de parametrar som används vid val av antenn - t.ex. centrumfrekvens, bandbredd, förstärkning, effekt eller fysisk storlek - beror på om antennen används för amplitud-, frekvens- eller fasmodulerande signaler (AM, FM, PM) eller för 3G, 4G, 5G eller till och med proprietära signalformat.

Naturligtvis lägger man stor vikt vid konstruktionen av systemkonstruktioner för nya tillämpningar med stöd för 5G-standarder, i synnerhet för 5G-banden under 6 GHz där den mesta 5G-aktiviteten sker. Det är viktigt att skilja mellan den trådlösa standard som systemet stödjer kontra den frekvens och det spektrum som används och som avgör valet av antenn.

De nya standarderna för 5G utnyttjar tidigare otillgängliga segment i spektrumet, samtidigt som de utnyttjar delar av det spektrum som redan används genom att införliva moduleringsscheman på högre nivå för högre genomströmning. Även om stödet från branschen och operatörerna för en befintlig standard kan fasas ut (eller "skrinläggas"), som t.ex. 3G år 2022, kommer vissa delar av det spektrum som används av 3G fortfarande att användas för 4G och till och med för 5G (figur 1).

Figur 1: Frekvenserna mellan 600 och 6000 MHz har stöd för flera standarder som 3G, 4G och 5G, med viss spektrumöverlappning. (bildkälla: Abracon LLC)

Det innebär att antenner som stöder 3G- eller 4G-banden fortfarande kan vara användbara för 5G, och vice versa. Standarden kan vara skrinlagd, men inte dess antenn, och antennkompatibilitet framåt/bakåt är möjlig. I vart och ett av dessa fall är återanvändning av antenner med stöd för flera standarder och band en praktisk och ofta önskvärd lösning.

Andra viktiga standarder inom RF-spektrumet från 600 MHz till 6 GHz omfattar:

• Citizens Broadband Radio Service (CBRS), ett lätt reglerat 150 MHz brett segment i intervallet 3550-3700 MHz (3,5-3,7 GHz). I USA har Federal Communications Commission (FCC) utsett denna tjänst för delning mellan tre nivåer av användare: innehavare, PAL-användare (licens för prioriterad åtkomst) och GAA-användare (allmän godkänd åtkomst).
• LTE-M är en förkortning för LTE Cat-M1 (ofta kallad CAT M) eller Long-Term Evolution (4G), kategori M1. Tekniken gör det möjligt för batteridrivna IoT-enheter med låg arbetscykel att ansluta direkt till ett 4G-nätverk utan en gateway.
• Smalbandigt IoT (NB-IoT) är en trådlös teknik för mobiltelefoni som använder OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) inom ramen för 3G. Det är ett initiativ från organisationen Third Generation Partnership Project (3GPP) - som ligger bakom standardiseringen av mobilsystem - för att tillgodose behoven hos enheter med mycket låg datahastighet som måste ansluta till mobilnät och ofta drivs av batterier.

En anmärkning om bredbands- och flerbandsterminologi, eftersom det finns risk för förvirring och oklarheter. "Bredbandig" avser en antenn med en bandbredd som är en betydande del av dess centrumfrekvens. Det finns ingen formell definition för detta tal, men informellt brukar det betyda en bandbredd som är minst 20-30 procent av centrumfrekvensen. Med "flerband" avses däremot en antenn som är utformad för att stödja två eller flera band enligt definitionen i de reglerande standarderna. Dessa band kan ligga tätt intill varandra eller långt ifrån varandra.

Ett extremt exempel på en flerbandsantenn är en antenn som fungerar både för AM-sändningar (550-1550 kHz) och FM-sändningar (88-108 MHz) samtidigt. En flerbandsantenn kan vara bredbandig men behöver nödvändigtvis inte vara det.

Oavsett antal, avstånd och bandbredd har en flerbandsantenn en enda RF-anslutning, även om den internt kan bestå av två eller flera olika kombinerade antenner. Till skillnad från en enklare bredbandsantenn kan en flerbandsantenn faktiskt utformas med avsiktliga luckor i förstärkningstäckningen för dess hela bandbredd för att minimera störningar inom samma kanal.

Intern eller extern antenn

Den trådlösa anslutningsstandard som antennen används för är inte en fråga om antennkonstruktion, men frekvens och bandbredd är definitivt faktorer som gör antennens fysiska implementering till ett viktigt beslut. Ett viktigt övervägande vid konstruktionen är om man ska använda en extern antenn eller en inbyggd antenn i slutprodukten.

Inbyggda antenner har följande egenskaper:

• De möjliggör ett tunnare paket utan externa tillbehör som kan gå sönder eller fastna.
• Den inbyggda antennen är alltid ansluten och tillgänglig
• De har inbyggda begränsningar när det gäller täckning, effektivitet, strålningsmönster och andra prestandakriterier.
• Den inbyggda antennens prestanda påverkas av närliggande kretsar, så dess placering är nära kopplad till kretskortets storlek, layout, komponenter och övergripande arrangemang.
• Användarens hand eller kropp kan orsaka förändringar i antennmönster, effektivitet och prestanda.

I motsats till detta, har externa antenner följande egenskaper:

• De ger större möjligheter att skräddarsy strålningsmönster, bandbredd och förstärkning eftersom de har en större grad av konstruktionsfrihet.
• De behöver inte fästas på IoT/RF-enheten och kan placeras optimalt på ett lagom avstånd med hjälp av en koaxialkabel.
• De påverkas mindre, eller inte alls av de elektriska aspekterna av produktens konstruktion och kapsling.
• De finns i flera olika stilar och konfigurationer
• De måste ha en kontakt eller en kabel för att fästas, vilket kan bli en potentiell felkälla.

Valet mellan en extern och en intern antenn bestäms vanligtvis av flera faktorer. Dessa inkluderar slutproduktens tillämpning och användarens preferenser, som vägs mot prestanda och om antennen kommer att användas i en mobil eller fast situation. Som exempel, kan en smartphone med en extern antenn anses vara otymplig. Däremot kan en fast monterad IoT-nod med en extern och kanske något avlägsen antenn ge bättre och mer konsekventa anslutningsmöjligheter.

Fördelar med flerbandsantenner

Flerbandsantenner kan tillgodose befintliga tillämpningar och samtidigt framtidssäkra konstruktioner för uppgraderingar, inklusive 5G-anslutning. Men varför överväga en sådan antenn om installationsparametrarna och detaljerna är kända? Det finns flera goda skäl till detta:

• En enda antenn kan användas i en produktfamilj med olika band, vilket förenklar lagerhantering och inköp.
• En intern flerbandsantenn tar mindre plats, medan en extern antenn minskar antalet antennkontakter i produktens hölje.
• Flerbandsantennen kan betjäna en IoT-enhet där en uppgradering till ett nytt band, t.ex. 5G, är möjlig eller väntad, antingen av prestandaskäl eller för att det befintliga bandet och den befintliga standarden ska skrinläggas.
• En enda extern antenn för flera band ger gemensamma egenskaper när det gäller installationsteknik och verktyg.
• För viktiga fasta och i synnerhet mobila tillämpningar, kan enhetens RF-del ha stöd för dubbla band, vilket gör att enheten dynamiskt kan växla mellan banden för optimal prestanda på en viss plats eller i en viss miljö.
• Konstruktörer kan använda en enda intern flerbandsantenn i orelaterade enheter, men vinner på att utnyttja sin erfarenhet av antennmodellering, placering och eventuella produktionsproblem.

Exempel på flerbandsantenner i den verkliga världen

Trots deras bredbandiga prestanda är flerbandsantenner inte begränsade i format eller typ av kontakt, vilket tre exempel visar.

AEBC1101X-S är en flexibel 5G/4G/LTE mobilantenn med längden 115 mm och en maximal diameter på 19 mm, som konstruerats för 600 MHz till 6 GHz (figur 2). Den levereras med en vanlig SMA-hankontakt som kan vridas 90° för direkt montering i produktens hölje (den kan även användas med en förlängande koaxialkabel). En SMA-kontakt med omvänd polaritet finns också.

Figur 2: Den flexibla mobilantennen AEBC1101X-S 5G/4G/LTE är konstruerad för 600 MHz till 6 GHz och har en inbyggd SMA-koaxialkontakt med 90° vridning. (Bildkälla: Abracon LLC)

Dess stående våg-förhållande och toppförstärkningsprestanda är relativt konstanta i hela bandet, även om det finns en förskjutning i effektivitet mellan de lägre och högre frekvensområdena (figur 3).

Figur 3: Den flexibla mobilantennen AEBC1101X-S 5G/4G/LTE har blygsamma skillnader i prestandan i de låga (600-960 MHz) och höga (1400-6000 MHz) frekvensområdena. (Bildkälla: Abracon LLC)

Strålningsmönstret är ganska runt i hela bandet, med några små lobar som uppstår vid 3600 MHz och som blir lite tydligare vid 5600 MHz (figur 4).

Figur 4: X-Y-strålningsmönstret för AEBC1101X-S förändras mellan 3600 och 5600 MHz, med uppkomsten av vissa lobar. (Bildkälla: Abracon LLC)

Bladantennen AECB1102XS-3000S för 5G/4G/LTE/NB-IoT/CAT, även den för drift från 600 MHz till 6 GHz, är 115,6 mm lång och 21,7 mm bred och har en mycket tunn profil på endast 5,8 mm (figur 5). Den är konstruerad för enkel och bekväm installation mot en plan yta med hjälp av självhäftande tejp.

Figur 5: Bladantennen AECB1102XS-3000S för 5G/4G/LTE/NBIOT/CAT, även den för 600 MHz till 6 GHz, är en antenn med låg profil som är konstruerad för att enkelt kunna monteras mot en plan yta med hjälp av självhäftande tejp. (Bildkälla: Abracon LLC)

Dess RF-prestanda liknar AEBC1101X-S med ett maximalt stående våg-förhållande under 3,5, men toppförstärkningen är lite lägre, 2 decibel, i förhållande till en isotropisk utstrålare (dBi). Strålningsmönstret i X-Y- och X-Z-planet är också mer komplicerat (figur 6).

Figur 6: X-Z- och Y-Z-strålningsmönstren för bladantennen AECB1102XS-3000S visar en mer komplicerad uppsättning lobar än den flexibla antennen. (Bildkälla: Abracon LLC)

En tydlig skillnad mellan AEBC1101X-S och AECB1102XS-3000S är de tillgängliga kontakterna. Bladantennen AECB1102XS-3000S levereras som standard med 1 m LMR-100 koaxialkabel (ersätter kabeltyperna RG174 och RG316) som avslutas med den allmänt använda SMA-hankontakten. Det går dock att beställa nästan vilken kabellängd som helst, och andra kontakttyper än SMA erbjuds också som standardalternativ för att öka anslutningsflexibiliteten (figur 7).

Figur 7: Standardkoaxialkabeln för AECB1102XS-3000S avslutas med en SMA-kontakt (Ha), men många andra kontakter kan offereras. (Bildkälla: Abracon LLC)

Den bredbandiga keramiskt kretsantennen ACR4006X för 600 till 6000 MHz är en ytmonterad enhet som bara är 40 × 6 × 5 mm hög. I drift kräver den ett litet nätverk för anpassning av LC-impedansen bestående av en induktor på 8,2 nH och en kondensator på 3,9 pF (båda i storlek 0402) för att uppnå den önskade impedansen på 50 ohm (Ω) (figur 8).

Figur 8: Den bredbandiga keramiska kretsantennen ACR4006X för 600 till 6000 MHz har ett format på bara 40 × 6 mm och behöver endast två små passiva komponenter för impedansanpassning för 50 Ω. (Bildkälla: Abracon LLC)

Databladet för ACR4006X anger att det är en enhet för 600-6000 MHz, men observera att diagrammen för effektivitet, toppförstärkning och genomsnittlig förstärkning har vissa luckor (figur 9). Detta är avsiktligt, eftersom den här flerbandsantennen är konstruerad och optimerad för prestanda i tre specifika band inom området: 600 till 960 MHz, 1710 till 2690 MHz och 3300 till 6000 MHz för att stödja tilldelningar av 3G, 4G och 5G samt vissa mindre spektrumtilldelningar.

Figur 9: Effektivitets- och förstärkningsdiagrammen för ACR4006X med 600 till 6000 MHz visar på luckor, men dessa är av liten betydelse för användarna eftersom de inte ligger inom driftsbanden 3G, 4G och 5G. (Bildkälla: Abracon LLC)

Eftersom ACR4006X inte är avsedd för GPS-mottagare är dess prestanda inte specificerad vid GPS-bärfrekvenserna 1575,42 MHz (L1-bärare) och 1227,6 MHz (L2-bärare).

X-Y-strålningsmönstret för ACR4006X är också en funktion av frekvensen, men det har fortfarande en ungefärlig rund form i hela det breda bandet, med endast några få blygsamma förstärkningssvackor vid 90° och 270° i det lägre frekvensområdet (figur 10).

Figur 10: X-Y-strålningsmönstret för kretsantennen ACR4006X är nästan rund, men med vissa frekvensberoende förstärkningssvackor vid 90° och 270°. (Bildkälla: Abracon LLC)

Utvärderingen av en antenns prestanda börjar med databladet, som ofta följs av en bekräftelse i en ekoelektrisk kammare och slutligen fälttester med den slutliga produkten. Faktorer som påverkar den externa antennens faktiska prestanda är höljet, användarens kropp och händer för mobila enheter samt antennens placering. Den är till stor del frikopplad från produktens interna kretskortslayout.

Däremot påverkas prestandan hos en intern enhet, som t.ex. kretsantennen ACR4006X, av närliggande komponenter och kretskortet. Därför erbjuder Abracon utvärderingskortet ACR4006X-EVB för att underlätta den tekniska utvärderingen av denna kretsantenn.

Kortet används tillsammans med en nätverksanalysator (VNA). Efter inledande kalibrering av konfigurationen - ett standardsteg vid de flesta VNA-tester - bedöms antennens prestanda via nätverksanalysatorns kalibrerade port med hjälp av kortets SMA-kontakt.

Utvärderingskortet har måtten 120 x 45 mm och är exakt dimensionerat för korrekt placering av kretsantennen. Den omfattar det nödvändiga området på 45 x 13 mm med fri höjd för metall/jord runt antennen för att den ska fungera korrekt (figur 11).

Figur 11: Utvärderingskortet ACR4006X-EVB har måtten 120 x 45 mm och underlättar utvärdering av kretsantennen via dess SMA-kontakt. Databladet visar kritiska layoutområden och mått. (Bildkälla: Abracon LLC)

Sammanfattning

Flerbandsantenner hanterar utmaningarna med IoT-enheter, särskilt de som behöver ge stöd för ett band nu, men även tillhandahålla en smidig uppgraderingsväg till nyare standarder såsom 5G. De gör det även möjligt för ett system att stödja flera band för att optimera prestandan i områden där anslutningen inte är garanterad på ett enda band. Så som visas, möjliggör Abracons kretskortsmonterade interna antenner ett tunnare paket, medan de externa antenner som antingen använder en integrerad RF-kontakt eller en koaxialkabelanslutning ger flexibilitet vid placeringen av en optimal signalväg.