Använd stryktåliga multibandsantenner för att lösa utmaningen med mobil uppkoppling

Transporttillämpningar, inklusive järnvägar, lastbilar och spårning av tillgångar, är förutom smartphones och IoT-enheter (Internet of Things), en annan viktig drivkraft för mobila trådlösa uppkopplingar transporttillämpningar. Tillämpningarna ställer unika krav på systemets antenn, som t.ex. tålighet mot vibrationer, stötar, extrema temperaturer, regn, fukt och behovet av en funktion med stor bandbredd och till och med flera band, samtidigt som de ger en jämn prestanda.

Det är möjligt att konstruera och bygga en lämplig antenn, men i nästan alla krävande tillämpningar är det förnuftigast att använda en standardiserad, korrekt konstruerad, vältillverkad, fullt karakteriserad och färdigmonterad enhet. Detta minskar kostnaderna och utvecklingstiden samtidigt som det ökar förtroendet för slutkonstruktionen.

Artikeln undersöker de problem som förknippas med utformning av antenner för transportändamål. Därefter presenteras två multibandsantenner från TE Connectivity som är utformade för att monteras på ytan av en kapsling, inklusive en enkel "låda" och eventuellt ett exponerat fordon i rörelse.

Tillämpningar driver implementation

Antennen är den viktiga omvandlaren mellan en elektronisk krets och fria elektromagnetiska fält (EM) och är därför ofta det mest utsatta elementet i konstruktionen. Men, den måste ändå ge önskad elektrisk prestanda och RF-prestanda trots svåra omgivande förhållanden, med ett format som är kompatibelt med den övergripande systemkonstruktionen.

För godssystem och särskilt för höghastighetståg för passagerare måste den även lätt kunna integreras i en aerodynamisk kapsling som både ger minimalt luftmotstånd och går att skydda från svåra miljöförhållanden (figur 1). Liknande begränsningar gäller för spårning av tillgångar där antennen måste vara exponerad för att ta emot GNSS-signaler (Global Navigation Satellite System).

Figur 1: Mobil uppkoppling med hjälp av olika standarder och band är numera ett krav på mobila höghastighetsinstallationer, som t.ex. tåg, vilket innebär utmaningar på grund av luftmotstånd och miljörelaterad stryktålighet. (Bildkälla: TE Connectivity)

Den optimala antennen är en väl avvägd blandning av tillämpningsspecifika egenskaper, inklusive önskat strålningsmönster, korrekt impedansanpassning, lågt VSWR-förhållande (Voltage Standing Wave Ratio), mekanisk integritet, lämplig kapsling och enkla elektriska anslutningar. I många fall finns det även ett behov av att förbättra signalvägen och maximera signal-brusförhållandet (SNR) i front-end genom att använda en aktiv antenn med en integrerad lågbrusförstärkare (LNA).

Precis som med alla komponenter finns det några viktiga parametrar som används för att karakterisera nästan alla antennkonstruktioner och installationer, samt andra som kan vara mer eller mindre kritiska i en viss situation. När det gäller antenner är strålningsmönster och prestanda i det specificerade bandet viktiga faktorer.

Implementering av antennprinciper

Riktningen för antenner som används för transport och spårning av tillgångar är en utmaning eftersom den är slumpmässig och föränderlig, vilket gör att det är viktigt att de har ett enhetligt, rundstrålande mönster för över- och sidovyerna i hela det angivna bandet.

M2M MiMo LTE-dubbelantennen 1-2309605-1 från TE Connectivity är exempelvis utformad för banden 698-960 MHz samt 1710-3800 MHz och är avsedd för 2G-, 3G-, 4G-, mobilnäts-, GSM- och LTE-tillämpningar (figur 2). En enda antenn kan vara effektiv för denna lista över standarder eftersom den är oberoende av det specifika signalformat som den överför eller den standard som den stödjer. Utformningen definieras främst av frekvens, bandbredd och effekt.

Figur 2: 1-2309605-1 från TE Connectivity är en enda modul som består av två oberoende antenner, en för 698-960 MHz och den andra för 1710-3800 MHz. (Bildkälla: TE Connectivity)

Observera att en "dubbel antenn" inte är detsamma som en "dubbelbandsantenn". En dubbel antenn, som t.ex., 1-2309605-1, har två oberoende antenner i en enda kapsling och respektive antenn har en egen matning. En dubbelbandsenhet är en enda antenn med en matning som är utformad för att stödja två (eller flera) band.

Om man tittar på antennen för det lägre bandet på 1-2309605-1 är dess strålningsmönster för både övre och sidoorientering enhetligt över hela bandbredden, från den nedre delen vid cirka 700 MHz till de övre frekvenserna vid cirka 900 MHz (figur 3).

Figur 3: Förstärkningsdiagrammen för 1-2309605-1 vid 700, 800 och 900 MHz (översta raden, mellersta raden respektive nedre raden) visar ett ganska jämnt strålningsmönster. (Bildkälla: TE Connectivity)

Vid 700 MHz (den låga delen av frekvensbandet) är förstärkningen i decibel i förhållande till en isotropisk antenn (dBi) - ett standardmått som anger antennens riktningsförmåga - endast 1,5 dBi, vilket motsvarar ett ganska jämnt strålningsmönster. Denna enhetlighet och jämnhet bidrar till en konsekvent prestanda, oavsett antennens riktning. Strålningsmönstret för den högre frekvensen vid 900 MHz är också ganska jämnt med en förstärkning på endast 4,5 dBi.

En annan viktig antennparameter är VSWR, som formellt definieras som förhållandet mellan maximal och minimal spänning, eller förhållandet mellan överförda och reflekterade stående spänningsvågor på en förlustfri överföringsledning. I ett idealiskt scenario skulle VSWR vara 1:1. Även om det ofta är svårt att uppnå detta är det vanligtvis godtagbart att arbeta med en VSWR på låga ensiffriga tal.

För M2M MiMo LTE dubbelantennen 1-2309605-1, som kan hantera upp till 20 W sändareffekt, är maximal VSWR vid mätning med 3 m RG174-kabel cirka 3:1 i ena änden och närmare 1,5:1 i de flesta av dess verksamma band (figur 4). I allmänhet är detta tillräckligt lågt för många av de tillämpningar som avses.

Figur 4: VSWR (vertikal axel) för M2M MiMo LTE-dubbelantennen 1-2309605-1 från TE Connectivity, mätt med 3 m RG174-kabel, visar ett lågt värde över hela det aktiva frekvensområdet (x-axeln). (Bildkälla: TE Connectivity)

I figur 4 är grönt element nr 1 med lägre frekvens, rött element nr 2 med högre frekvens, svart för element nr 1 och 2 i fritt utrymme och blått för element nr 1 och 2 på ett jordplan på 400 × 400 mm.

Samlokaliserade antenner

Det är möjligt att placera ut två eller flera separata antenner för att täcka flera band. Detta leder dock till flera potentiella problem. För det första är det uppenbart att det krävs utrymme och monteringsutrustning på en panel eller annan yta, samt tillhörande installationskostnader. För det andra finns det farhågor om EM-interaktion mellan antennerna som påverkar deras mönster och prestanda, vilket begränsar hur de kan placeras i förhållande till varandra. Denna interaktion mäts som antennisolering och anger i vilken utsträckning en antenn tar upp strålning från en annan antenn.

Lösningen på detta dilemma är att använda en enda antennenhet som kombinerar flera antenner i en enda kapsling. Mekaniskt sett minskar detta den totala storleken, förenklar installationen och förläggningen av antennkablar samt ger ett effektivt yttre utseende.

Elektriskt innebär det att isoleringen mellan antennerna kan mätas och specificeras i förväg, vilket minimerar risken för oväntad eller oförutsedd interaktion. För M2M MiMo LTE dubbelantennen 1-2309605-1 är isoleringen minst 15 dB och ökar mot mitten av båda de band som enheten använder (figur 5).

Figur 5: Isoleringen (y-axeln, dB) mellan de två antennerna i den dubbla M2M MiMo LTE-antennmodulen 2309605-1, är 15 dB eller bättre, mätt som en funktion av frekvensen (x-axeln, MHz). (Bildkälla: TE Connectivity)

En aktiv mottagningsantenn.

Förutom de två band som täcks av dubbelantennen 1-2309605-1 behöver många tillämpningar, som t.ex. spårning av tillgångar, även ta emot signaler från GNSS-systemen GPS (USA), Galileo (Europa) och Beidou (Kina) för att få information om position eller tidsangivelse. För att förenkla denna uppgift och undvika behovet av ytterligare en extern diskret antenn erbjuder TE 1-2309646-1. Den lägger till en tredje antenn, som endast tar emot GNSS-signaler mellan 1562-1612 MHz, till de två antennerna i enheten med dubbla antenner.

Behovet av att ta emot GNSS-signaler innebär dock ytterligare en utmaning för systemkonstruktören som härstammar från grunderna för sändnings- och mottagningsfunktionerna. När antennen och dess matarledning används för sändning befinner sig antennen och dess matarledning i en deterministisk situation. De tar den kända, kontrollerade och väldefinierade signalen från sändarens effektförstärkare (PA) och strålar ut den. Det finns inga problem med internt brus i signalen, störningar inom bandet eller signaler utanför bandet mellan effektförstärkaren och antennen.

På grund av den ömsesidighetsprincip som gäller för alla antenner kan samma fysiska antenn som används för sändning även användas för mottagning. Driftsförhållandena för mottagning är dock helt annorlunda än för sändning. Eftersom antennen försöker fånga upp en signal med okända värden i närvaro av störningar och brus inom bandet och även utanför bandet är den önskade mottagna signalen inte deterministisk eftersom den har många slumpmässiga egenskaper.

Dessutom är den mottagna signalstyrkan låg (i storleksordningen mikrovolt till några millivolt) och SNR är också låg. För GNSS-signaler är den mottagna signaleffekten vanligtvis mellan -127 och -25 dB i förhållande till en milliwatt (dBm), medan SNR vanligtvis är mellan 10 och 20 dB. Denna ömtåliga signal kommer att dämpas på grund av förluster i kabeln mellan antennen och mottagarens front-end, och dess SNR kommer också att försämras av oundvikligt termiskt brus och annat brus i överföringskabeln.

Av dessa skäl har 1-2309646-1 en LNA som ytterligare en funktion för sin tredje GNSS-antenn, som endast agerar mottagarantenn. LNA:n ger 42 dB förstärkning för GNSS-signalerna, vilket avsevärt ökar den mottagna signalstyrkan. För att förenkla användningen av LNA:n får den sin strömförsörjning (3 till 5 V DC, vid högst 20 mA) via den förstärkta RF-signalens koaxialkabel med hjälp av en väletablerad överlagringsteknik.

Likström skickas via kabeln mellan mottagarenheten och LNB:n (figur 6). Likströmmen till LNA (V1) blockeras från att nå radions huvudenhet (front-end) av små seriekondensatorer (C1 och C2). Kondensatorerna tillåter den förstärkta RF-signalen från antennen (ANT1) att passera till radions huvudenhet (OUT). Samtidigt hindras den förstärkta RF-signalen från att gå tillbaka till strömförsörjningen V1 av serieinduktorerna (spolarna) L1 och L2. På detta sätt kan likström till LNA:n och förstärkt RF från LNA:n till radions huvuddel, dela på samma koaxialkabel.

Figur 6: DC-strömmen till antennens LNA kan överlagras på den kabel för antennen/LNA-utgången med hjälp av ett smart arrangemang av induktorer och kondensatorer som separerar och isolerar DC-strömmen och RF-signalen i varje ände. (Bildkälla: Electronics Stack Exchange)

Skapa den fysiska kopplingen

Alla antenner eller grupper av antennelement måste ha ett tillförlitligt, bekvämt och elektriskt och mekaniskt säkert sätt att anslutas och kopplas bort från den radiofrontend som de betjänar. Dessutom måste den kompletta antennenheten skyddas från miljön och vara lätt att montera med minimal påverkan på monteringsytan.

För att uppfylla dessa mål är varje band i den tvåbandiga 1-2309605-1 och den trebandiga 1-2309646-1 utrustad med en 3 meter lång RG-174-koaxialkabel som avslutas med en standard SMA-kontakt (figur 7). Därför är det enkelt att ansluta eller koppla bort en eller flera antenner och det kan enkelt göras i fabriken vid monteringen av systemet, eller på fältet som en tilläggsfunktion.

Figur 7: Respektive antenn i 1-2309605-1 och 1-2309646-1 har sin egen RG-174-koaxialkabel med SMA-kontakt för att förenkla installation, anslutning, testning och demontering vid behov. (Bildkälla: TE Connectivity)

Det är dessutom lättare att fästa multiantennmodulen på systemets yta genom att använda en enda inbyggd 18 mm monteringsstång, plus en självhäftande akrylplatta runt antennkapslingens nederkant. Det går snabbt att fästa antennen utan att det finns någon exponerad hårdvara som kan rosta, lossna eller vara felaktigt åtdragen.

Kapslingen för dessa antenner är optimerat för mobila tillämpningar med rörelser i hög hastighet. Den strömlinjeformade enheten är bara 45 mm bred och 150 mm lång med avrundade kanter (som liknar "hajfenan" på taket på bilar) för att minimera luftmotståndskoefficienten och luftmotståndet. Kapslingens UV-stabiliserade material garanterar dessutom att exponering för solljus inte kommer att försvaga kapslingen med tiden.

Sammanfattning

Mobila uppkopplingar, uppkopplingar med hög hastighet och trådlösa uppkopplingar med flera band för transport kräver en antenngrupp som kan uppfylla krävande elektriska, miljömässiga och mekaniska mål. Moduler med två eller tre antenner från TE Connectivity tillhandahåller lågbandsantenner, högbandsantenner och GNSS-bandsantenner som tillval, tillsammans med en intern LNA för det senare. Enheterna är utrustade med individuella koaxialkablar och kontakter för respektive antenn, samt ett enkelt monteringssystem för yt- eller panelmontage för att underlätta installationen och ge viktig miljötålighet.

Relaterat innehåll

1. TE Connectivity, "Antennprodukter"
2. DigiKey, "Bortom kablar:Antenner utvecklas och anpassas sig för att uppfylla krävande trådlösa krav"
3. DigiKey, "Varför en bra LNA är nyckeln till en livskraftig antennfrontenhet"