اختيار هوائي بتردد 868 ميجاهرتز: تصميم هوائيات حلزونية، وهوائيات سوطية، وهوائيات بترددات دون الجيجاهرتز، مثبتة على لوحة الدوائر المطبوعة

إن اختيار هوائي لجهاز لاسلكي بتردد 868 ميجاهرتز يتجاوز مجرد مطابقة تردد التشغيل الاسمي. يجب على المهندسين أيضًا مراعاة خطة الترددات الإقليمية، والسطح الأرضي المتاح، وطريقة التركيب، ومواد الغلاف، ونمط الإشعاع، وأداء الترددات اللاسلكية المطلوب للتطبيق. وتكتسب هذه العوامل أهمية خاصة لأنظمة LoRaWAN وLPWAN والمراقبة عن بُعد والعدادات الذكية وغيرها من الأنظمة اللاسلكية دون الجيجاهرتز.

يشرح هذا الدليل كيفية تقييم الهوائيات المثبتة على لوحات الدوائر المطبوعة، والهوائيات أحادية القطب الحلزونية، والهوائيات الخارجية من نوع السوط لتطبيقات 868 ميجاهرتز. كما يقدم حسابات عملية للطول الموجي ومستوى الأرض، ويقارن بين نماذج تمثيلية. Kinghelm المنتجات المزودة بجهاز TE Connectivity ANT-868-HETH، وتوضح خطوات التحقق من صحة الترددات اللاسلكية اللازمة قبل الإنتاج.

1. تأكد من نطاق التشغيل ومتطلبات التطبيق

قبل اختيار الهوائي، تأكد من نطاق التردد الفعلي الذي يستخدمه الجهاز واللوائح المعمول بها في السوق المستهدف. تشير المصطلحات 433 ميجاهرتز، و470 ميجاهرتز، و868 ميجاهرتز، و915 ميجاهرتز إلى فئات ترددات شائعة الاستخدام ضمن نطاق الترددات دون الجيجاهرتز، ولكنها ليست مترادفة. تختلف التخصيصات الإقليمية، وقدرة الإرسال المسموح بها، وقيود دورة التشغيل، وخطط القنوات.

لا ينبغي افتراض أن الهوائي المصمم على تردد 868 ميجاهرتز سيؤدي أداءً جيدًا تلقائيًا على نطاق تردد 915 ميجاهرتز. حتى عندما يبدو منتجان متشابهين ظاهريًا، فإن ترددات الرنين وشبكات المطابقة وخصائص الإشعاع قد تختلف اختلافًا كبيرًا.

بالنسبة للتصميم الجديد، قم بتوثيق المتطلبات التالية قبل اختيار المرشحين للهوائي:

• تردد التشغيل: حدد نطاق التردد الفعلي بدلاً من التردد المركزي الاسمي فقط.
• تكنولوجيا الراديو: حدد ما إذا كان التطبيق يستخدم LoRaWAN أو بروتوكول LPWAN آخر أو القياس عن بعد أو رابط Sub-GHz خاص.
• مساحة متاحة: قم بتسجيل أبعاد لوحة الدوائر المطبوعة، ومنطقة الخلوص، وأبعاد الغلاف، وارتفاع الهوائي المسموح به.
• طريقة التركيب: حدد ما إذا كان التصميم يتطلب مكونًا مثبتًا على لوحة الدوائر المطبوعة، أو هوائيًا من خلال الثقوب، أو هوائيًا خارجيًا.
• أهداف الترددات اللاسلكية: حدد مطابقة المعاوقة المقبولة، والكفاءة، وتغطية الإشعاع، ونطاق الاتصال.
• متطلبات بيئية: ضع في اعتبارك درجة الحرارة، والتعرض للرطوبة، والاهتزاز، وبيئة التركيب المقصودة.

يمكن للهوائي الصغير أن يُسهّل عملية التكامل الميكانيكي، لكن الحجم وحده لا يُحدد أداء النظام. يجب أن يعمل الهوائي مع الجهاز بأكمله، بما في ذلك سطحه الأرضي، وغلافه، وبطاريته، وكابلاته، ومكوناته الإلكترونية المجاورة.

2. قارن بين تكوينات الهوائيات المثبتة على لوحة الدوائر المطبوعة، والهوائيات الحلزونية، والهوائيات الخارجية

تُعالج هياكل الهوائيات المختلفة قيودًا ميكانيكية وترددات لاسلكية متباينة. يُمكن للهوائي الخزفي المُثبَّت على لوحة الدوائر المطبوعة أن يُساعد في توفير المساحة، بينما يُوفر الهوائي أحادي القطب الحلزوني تصميمًا مُدمجًا لمشع أحادي القطب. يُمكن للهوائي الخارجي المصنوع من السوط أو المطاط أن يُبعد عنصر الإشعاع عن بعض المكونات الإلكترونية، وقد يُوفر مرونة أكبر في تحديد موضعه.

هوائيات مثبتة على لوحة الدوائر المطبوعة للأجهزة ذات المساحة المحدودة

يُعدّ الهوائي المُثبّت على لوحة الدوائر المطبوعة خيارًا عمليًا عندما يكون غلاف المنتج صغيرًا ولا يُفضّل استخدام عنصر إشعاع خارجي. مع ذلك، فإنّ كسب الهوائي أو تردده المركزي المُعلن عنه لا يُعبّر تمامًا عن أدائه بعد التركيب. إذ يُمكن لتصميم لوحة الدوائر المطبوعة، والسطح الأرضي، ومكونات المطابقة، والمواد المحيطة أن تُغيّر الرنين وتؤثر على كفاءة الإشعاع.

عند تقييم هوائي مثبت على لوحة الدوائر المطبوعة، اتبع تصميم الهوائي الموصى به من قبل الشركة المصنعة ومتطلبات منع التداخل. تجنب وضع البطاريات أو الأقواس المعدنية أو إطارات العرض أو الدروع أو أي هياكل موصلة أخرى بالقرب من عنصر الإشعاع إلا إذا تم تقييم التصميم في هذا التكوين.

للحصول على معلومات إضافية حول دمج هوائيات لوحات الدوائر المطبوعة، راجع مقال " هوائيات الرقعة مقابل هوائيات الرقاقة مقابل هوائيات لوحات الدوائر المطبوعة للأجهزة القابلة للارتداء بتقنية بلوتوث منخفضة الطاقة" . على الرغم من أن المقال يركز على دمج الأجهزة القابلة للارتداء، إلا أن مبادئ التخطيط والمسافة الواردة فيه مفيدة أيضًا عند تصميم هوائيات صغيرة الحجم.

أقطاب أحادية حلزونية لتصميمات مدمجة بترددات دون الجيجا هرتز

يستخدم الهوائي أحادي القطب الحلزوني بنية ملف موصل لتوفير تصميم هوائي صغير الحجم. ويمكن أن تكون الأنواع ذات الثقوب مفيدة عندما يتوافق تصميم لوحة الدوائر المطبوعة والتصميم الميكانيكي مع أسلوب تركيب المكون ومتطلبات المساحة.

لا تفترض أن جميع الهوائيات الحلزونية قابلة للتبديل كهربائيًا أو ميكانيكيًا مع بعضها البعض. قد يختلف شكل الهوائي ذي الثقوب عن شكل الهوائي ذي التركيب السطحي، ومتطلبات تركيبه، وأدائه في جهاز معين. تأكد من رقم القطعة الدقيق ورسم الشركة المصنعة قبل تعديل لوحة الدوائر المطبوعة.

هوائيات خارجية من نوع السوط والمطاط

قد يكون استخدام هوائي خارجي مفيدًا عندما يسمح الغلاف بوضع الهوائي بعيدًا عن مصادر التشويش الرئيسية في الترددات اللاسلكية. قد يكون هذا الترتيب مناسبًا للبوابات، ومعدات المراقبة، والأجهزة التي يكون فيها حجم الهوائي الأكبر مقبولًا.

تحقق من التردد المقنن للهوائي، ومعاوقته، ومواصفات كسبه، واستقطابه، وواجهة تركيبه، وترتيب الكابل أو التغذية إن وجد. كما يجب تقييم التركيب النهائي من حيث المتانة الميكانيكية وأداء الترددات اللاسلكية في بيئة التشغيل المقصودة.

3. تطبيق مبادئ الطول الموجي ومستوى الأرض

يُعدّ الطول الموجي نقطة انطلاق مفيدة لفهم أبعاد الهوائي. إلا أنه لا يُحدد، بمفرده، الحجم المادي النهائي للهوائي العملي، لأن عوامل أخرى تؤثر على التصميم، مثل الحمل، وهندسة الملف، والمواد العازلة، والموصلات المجاورة، وشبكة المطابقة.

احسب الطول الموجي عند تردد 868 ميجاهرتز

للحصول على تقدير أولي، استخدم الصيغة التالية:

الطول الموجي (λ) بالأمتار ≈ 300 ÷ التردد (ميجاهرتز)

عند تردد 868 ميجاهرتز:

• الطول الموجي: λ ≈ 300 ÷ 868 ≈ 0.346 م، أو ما يقرب من 346 مم.
• ربع الطول الموجي: λ/4 ≈ 86.4 مم.

تُعدّ نتيجة ربع الطول الموجي مرجعًا نظريًا لهوائي أحادي القطب بسيط في الفضاء الحر. قد يكون الهوائي العملي أقصر فعليًا أو مُهيأً بطريقة أخرى من خلال التحميل والضبط. يعتمد طوله الكهربائي الفعال وأداؤه على بنية الهوائي وطريقة تركيبه.

لماذا يُعدّ مستوى الأرض مهمًا؟

يعمل الهوائي أحادي القطب بالتزامن مع هيكله الأرضي. يؤثر سطح الأرض في لوحة الدوائر المطبوعة، وطريقة التركيب، والمكونات الموصلة المجاورة على توزيع التيار ونمط الإشعاع. قد يؤدي اختلاف سطح الأرض عن الإعداد المرجعي للشركة المصنعة إلى تغيير مطابقة المعاوقة والأداء الفعلي.

على سبيل المثال، تشير معلومات منتج TE Connectivity ANT-868-HETH إلى وجود لوحة أرضية مرجعية بأبعاد 38 × 84 مم في وثائق الهوائي. ينبغي التعامل مع هذا كإعداد مرجعي للتقييم، وليس كمتطلب عالمي لحجم لوحة الدوائر المطبوعة لكل هوائي بتردد 868 ميجاهرتز.

عند تصميم لوحة الدوائر المطبوعة، ضع في اعتبارك هذه الخطوات العملية:

1. اتبع توصيات الشركة المصنعة للهوائي فيما يتعلق بنمط الإشارة الأرضية، والتوصيل الأرضي، ومنطقة الحظر.
2. يجب إبقاء الأجسام الموصلة والمكونات الحساسة بعيدة عن قسم الإشعاع حيثما تتطلب إرشادات التصميم ذلك.
3. قم بوضع هوائي التغذية وشبكة المطابقة وفقًا لتصميم الترددات اللاسلكية الموصى به.
4. اترك مساحة لضبط المكونات إذا كانت عملية التصميم تتطلب تعديل المعاوقة.
5. قم بقياس الهوائي في المنتج المُجمّع، بدلاً من الاعتماد فقط على الحسابات أو محاكاة لوحة الدوائر المطبوعة المجردة.

للاطلاع على اعتبارات التصميم الأكثر تفصيلاً، انظر تصميم هوائي الترددات الراديوية: دليل عملي للمهندسين المتوسطين.

المطابقة والقياس

تُعدّ مواصفات المعاوقة البالغة 50 أوم مرجعًا مفيدًا للواجهة، لكنها لا تضمن أن يُظهر الهوائي مقاومة مقدارها 50 أوم عند تركيبه في المنتج النهائي. يشكّل الهوائي ولوحة الدوائر المطبوعة معًا نظام الترددات الراديوية.

استخدم محلل الشبكة الاتجاهية (VNA) لتقييم مطابقة الإشارة المدخلة ضمن نطاق التشغيل المطلوب. يمكن أن تساعد قياسات S11 وVSWR في تحديد انزياحات الرنين ومشاكل المطابقة. وعند الإمكان، قيّم أيضًا الكفاءة الإشعاعية الكلية، وأنماط الإشعاع، وأداء الاتصالات اللاسلكية.

لا يضمن الحصول على نتيجة جيدة في اختبار S11 وحده كفاءة إشعاع عالية أو مدى اتصال متوقع. فالفقدان التوصيلي، والفقدان العازل، وتأثيرات الغلاف، واتجاه الهوائي، وبيئة جهاز الاستقبال، كلها عوامل تؤثر على النتائج في الواقع العملي.

4. قارن Kinghelm منتجات بتردد 868 ميجاهرتز مزودة بـ TE ANT-868-HETH

عند مقارنة المنتجات، يجب التمييز بين المواصفات الكهربائية والتوافق الميكانيكي. يمكن النظر في استخدام هوائي صغير الحجم مثبت على لوحة الدوائر المطبوعة، وهوائي مطاطي خارجي، وهوائي أحادي القطب حلزوني مثبت عبر الثقوب لتصميمات نطاق الترددات دون الجيجاهرتز، ولكنها تلبي متطلبات تكامل مختلفة.

ممثل Kinghelm المنتجات

هام: القيم المذكورة أعلاه هي مواصفات المنتج المُدرجة من قِبل الشركة المُصنِّعة، وليست مقارنة أداء مُتحكَّم بها في ظروف مُتماثلة. لا ينبغي تفسير قيم الكسب على أنها مُكافئة تمامًا إلا إذا كانت تعريفات القياس وظروف الاختبار قابلة للمقارنة. يجب تقييم التصميم النهائي في بيئة لوحة الدوائر المطبوعة (PCB) والعلبة وبيئة التركيب المُخصصة له.

كيفية تفسير المقارنة

يُعدّ الهوائي KH-10032-A83 خيارًا صغيرًا يُركّب على لوحة الدوائر المطبوعة، بتردد مركزي مُعلن يبلغ 868 ميجاهرتز وعرض نطاق ترددي 10 ميجاهرتز. قد يكون من المفيد تقييمه عندما يُعطي التصميم الأولوية لحجم هوائي صغير، وذلك وفقًا لنطاق التشغيل المطلوب وإرشادات الشركة المصنّعة للتصميم.

يُصنّف الهوائي KH-(868)-J505-JB كهوائي مطاطي بتردد اسمي 868 ميجاهرتز، ومقاومة 50 أوم، وكسب 2.0 ديسيبل. وهو يُمثّل نهجًا مختلفًا للتكامل عن الهوائي الخزفي المُثبّت على لوحة الدوائر المطبوعة، ويمكن أخذه في الاعتبار عندما يسمح التصميم الميكانيكي للمنتج بتركيب هوائي خارجي أو منفصل.

يُعدّ هوائي TE ANT-868-HETH أحادي القطب حلزوني ذو فتحة تمرير، ويعمل ضمن نطاق التردد 862-870 ميجاهرتز وفقًا لبيانات الشركة المصنعة. يجب تقييم طريقة تركيبه وخصائصه الكهربائية وفقًا للمتطلبات الفعلية للمنتج المستهدف.

تشبه Kinghelm لا يجوز وصف المنتجات بأنها بدائل مباشرة لجهاز TE ANT-868-HETH دون التحقق من ذلك. قد تتطلب الاختلافات في التركيب، والتفاعل مع مستوى الأرض، والمطابقة، والمسافة الميكانيكية، وأداء الترددات اللاسلكية تغييرات في لوحة الدوائر المطبوعة أو الغلاف. تأكد من الأبعاد الدقيقة، والواجهة، ووثائق المطابقة للمنتج المختار قبل الموافقة على إنتاجه.

5. التحقق من أداء الترددات اللاسلكية في الجهاز النهائي

حتى الهوائي المُصمم بدقة قد يتصرف بشكل مختلف بعد دمجه. فالغلاف المعدني، والبطارية، والشاشة، والكابل، وقوس التثبيت، أو الدائرة الكهربائية المجاورة، كلها عوامل قد تُغير من مقاومة الهوائي وخصائص إشعاعه. لذا، ينبغي أن يكون التحقق من صحة الهوائي جزءًا من عملية تطوير المنتج، وليس مجرد فحص نهائي عند اختيار المورد.

قائمة التحقق الموصى بها للتحقق من الصحة

• تغطية تردد: تأكد من أن الهوائي يغطي جميع القنوات المطلوبة والنطاق الإقليمي المطبق.
• مقاومة مطابقة: قم بقياس S11 أو VSWR على نطاق التشغيل باستخدام إعداد اختبار الترددات اللاسلكية المناسب.
• كفاءة الإشعاع: قم بتقييم الأداء الإشعاعي في جهاز مُجمّع نموذجي كلما سمحت موارد الاختبار بذلك.
• اتجاه: قم بتقييم اتجاه الهوائي المقصود والموضع المتوقع للمنتج أثناء الاستخدام.
• تأثيرات مستوى الأرض: قارن تصميم لوحة الدوائر المطبوعة النهائي مع التكوين الموصى به من قبل الشركة المصنعة أو التكوين المرجعي.
• تأثيرات الحيز: قم بإجراء الاختبار مع تركيب الغلاف النهائي والبطارية والشاشة والأجزاء الموصلة الرئيسية.
• أداء الاتصالات: اختبر وصلة الراديو الفعلية في ظل ظروف تشغيل نموذجية بدلاً من الاعتماد على كسب الهوائي وحده.
• الملاءمة البيئية: تحقق من درجة الحرارة والرطوبة والاهتزاز والمتطلبات الميكانيكية مقابل وثائق المنتج.
• التدقيق المطلوب: تأكد من أن الجهاز النهائي يفي بمتطلبات الراديو والمنتج ذات الصلة في السوق المستهدف.

عندما يكون المنتج مخصصًا لتقنية LoRaWAN أو أي تطبيق لاسلكي بعيد المدى آخر، يجب أن تعكس الاختبارات بيئة النشر الفعلية. فارتفاع التركيب، واتجاه الهوائي، والعوائق، والتداخل، وهوائي الاستقبال، كلها عوامل تؤثر على أداء الاتصال.

بالنسبة للتصاميم المثبتة على لوحة الدوائر المطبوعة، يجب ترك مساحة كافية لتعديلات شبكة المطابقة إذا أظهرت قياسات الترددات اللاسلكية الأولية الحاجة إلى ضبطها. ينبغي توثيق أي تغييرات في المكونات والتحقق منها على أجهزة تمثل المنتج النهائي.

6. اتخاذ قرار مدروس بشأن تصميم وتوريد المعدات في نطاق الترددات دون الجيجا هرتز

يبدأ اختيار هوائي عملي بترددات دون الجيجاهرتز بتحديد نطاق التردد المستهدف، ويستمر عبر التكامل الميكانيكي، والتحقق من صحة الترددات اللاسلكية، ومراجعة المصادر. ليس بالضرورة أن يكون أصغر هوائي هو الخيار الأمثل، كما أن ارتفاع قيمة الكسب المعلنة لا يضمن أداءً أفضل في جميع المنتجات.

بالنسبة للأجهزة الصغيرة، قد يكون الهوائي المثبت على لوحة الدوائر المطبوعة، مثل KH-10032-A83، خيارًا مناسبًا للتقييم عندما يتوافق نطاق التردد ومتطلبات التصميم المذكورة مع التصميم المطلوب. أما إذا كان الهوائي المثبت بشكل منفصل أكثر ملاءمة، فإن KH-(868)-J505-JB يوفر خيارًا آخر للتقييم. وبالنسبة للتصاميم التي تتطلب هوائيًا أحادي القطب حلزونيًا مثبتًا عبر الثقوب، يوفر TE ANT-868-HETH مرجعًا موثقًا من الشركة المصنعة لتقييم هذا النوع من الهوائيات.

قبل اعتماد قائمة المواد النهائية، تأكد من الطراز الدقيق، ونطاق التشغيل، والرسم الميكانيكي، والمعاوقة، وشروط قياس الكسب، وواجهة التركيب، ومعلومات الامتثال ذات الصلة. في حال استبدال هوائي موجود، اختبر كلاً من التوافق الميكانيكي وأداء الترددات اللاسلكية في الجهاز الفعلي بدلاً من الاعتماد على التردد الاسمي فقط.

Kinghelmتتضمن مجموعة منتجات الهوائيات الخاصة بالشركة منتجات تلبي متطلبات التكامل اللاسلكي المختلفة. يمكن للمهندسين وفرق المشتريات مراجعة مواصفات المنتج المنشورة والتأكد من ملاءمتها للتطبيق المقصود قبل اختيار جزء للإنتاج.

للحصول على مزيد من الإرشادات حول دمج الهوائيات، اقرأ مقال " كيفية اختيار هوائي بلوتوث؟ من الهوائي اللاصق إلى الهوائي الخزفي ". على الرغم من أن المقال يركز على تقنية البلوتوث، إلا أنه يقدم سياقًا إضافيًا حول مطابقة بنية الهوائي مع مساحة المنتج المتاحة وقيود الدمج.

مراجع حسابات

1. اتصال TE، صفحة المنتج ANT-868-HETH.
2. اتصال TE، كتالوج الهوائيات.
3. Kinghelm, قوائم منتجات الهوائيات.
4. Kinghelm, قوائم منتجات هوائيات المطاط.
5. Kinghelm, تصميم هوائيات الترددات الراديوية: دليل عملي للمهندسين ذوي الخبرة المتوسطة.
6. Kinghelm, هوائيات لاصقة، ورقائقية، ولوحات دوائر مطبوعة للأجهزة القابلة للارتداء بتقنية بلوتوث منخفضة الطاقة.
7. Kinghelm, كيف تختار هوائي بلوتوث؟ من الهوائي اللاصق إلى الهوائي الخزفي.