انتخاب آنتن ۸۶۸ مگاهرتز: طراحی آنتن مارپیچی، شلاقی و زیر گیگاهرتز با نصب PCB

انتخاب آنتن برای یک دستگاه بی‌سیم ۸۶۸ مگاهرتز، چیزی بیش از تطبیق با فرکانس عملیاتی اسمی است. مهندسان همچنین باید طرح فرکانس منطقه‌ای، صفحه زمین موجود، روش نصب، مواد محفظه، الگوی تابش و عملکرد RF مورد نیاز کاربرد را در نظر بگیرند. این عوامل به ویژه برای LoRaWAN، LPWAN، نظارت از راه دور، اندازه‌گیری هوشمند و سایر سیستم‌های بی‌سیم Sub-GHz اهمیت دارند.

این راهنما نحوه ارزیابی آنتن‌های نصب‌شده روی PCB، تک‌قطبی‌های مارپیچی و آنتن‌های شلاقی خارجی را برای کاربردهای ۸۶۸ مگاهرتز توضیح می‌دهد. همچنین محاسبات عملی طول موج و صفحه زمین را معرفی می‌کند، نمونه‌های مشابه را مقایسه می‌کند. Kinghelm محصولاتی با اتصال TE ANT-868-HETH، و مراحل اعتبارسنجی RF مورد نیاز قبل از تولید را تشریح می‌کند.

۱. تایید باند عملیاتی و الزامات برنامه

قبل از انتخاب آنتن، محدوده فرکانس واقعی مورد استفاده دستگاه و مقرراتی که در بازار هدف آن اعمال می‌شود را بررسی کنید. اصطلاحات ۴۳۳ مگاهرتز، ۴۷۰ مگاهرتز، ۸۶۸ مگاهرتز و ۹۱۵ مگاهرتز، دسته‌های فرکانس زیر گیگاهرتز رایج را توصیف می‌کنند، اما قابل تعویض نیستند. تخصیص‌های منطقه‌ای، توان ارسال مجاز، محدودیت‌های چرخه کاری و برنامه‌های کانال متفاوت است.

نباید فرض کرد که آنتنی که برای فرکانس ۸۶۸ مگاهرتز طراحی شده است، به طور خودکار در باند ۹۱۵ مگاهرتز نیز عملکرد خوبی دارد. حتی وقتی دو محصول شبیه به هم به نظر می‌رسند، فرکانس‌های رزونانس، شبکه‌های تطبیق و ویژگی‌های تابشی آنها می‌تواند تفاوت قابل توجهی داشته باشد.

برای یک طرح جدید، قبل از انتخاب نامزدهای آنتن، الزامات زیر را مستند کنید:

• فرکانس: به جای فرکانس مرکزی اسمی، محدوده فرکانس واقعی را مشخص کنید.
• فناوری رادیویی: مشخص کنید که آیا برنامه از LoRaWAN، پروتکل LPWAN دیگر، تله‌متری یا یک لینک اختصاصی Sub-GHz استفاده می‌کند یا خیر.
• فضای موجود: ابعاد برد مدار چاپی، فضای خالی، ابعاد محفظه و ارتفاع مجاز آنتن را ثبت کنید.
• روش نصب: تصمیم بگیرید که آیا طرح به یک قطعه نصب شده روی برد مدار چاپی، یک آنتن سوراخ‌دار یا یک آنتن خارجی نیاز دارد یا خیر.
• اهداف RF: تطبیق امپدانس قابل قبول، راندمان، پوشش تشعشعی و محدوده ارتباطی را تعریف کنید.
• الزامات محیطی: دما، رطوبت، لرزش و محیط نصب مورد نظر را در نظر بگیرید.

یک آنتن جمع و جور می‌تواند ادغام مکانیکی را ساده کند، اما اندازه به تنهایی عملکرد سیستم را تعیین نمی‌کند. آنتن باید با کل دستگاه، از جمله صفحه زمین، محفظه، باتری، کابل‌ها و قطعات الکترونیکی مجاور آن، کار کند.

۲. مقایسه پیکربندی‌های آنتن نصب‌شده روی برد مدار چاپی، حلزونی و خارجی

ساختارهای مختلف آنتن، محدودیت‌های مکانیکی و RF متفاوتی را برطرف می‌کنند. یک آنتن سرامیکی نصب‌شده روی PCB می‌تواند به صرفه‌جویی در فضا کمک کند، در حالی که یک تک‌قطبی مارپیچی، پیاده‌سازی فشرده‌ای از یک رادیاتور تک‌قطبی را فراهم می‌کند. یک آنتن شلاقی یا لاستیکی خارجی می‌تواند عنصر تابشی را از برخی از قطعات الکترونیکی دور کند و ممکن است انعطاف‌پذیری بیشتری در موقعیت‌یابی ارائه دهد.

آنتن‌های نصب‌شده روی برد مدار چاپی برای دستگاه‌های با محدودیت فضا

آنتن نصب شده روی برد مدار چاپی (PCB) می‌تواند زمانی که محفظه محصول کوچک است و وجود یک عنصر تابشی خارجی نامطلوب است، یک گزینه عملی باشد. با این حال، بهره یا فرکانس مرکزی منتشر شده از آنتن، عملکرد آن را پس از نصب به طور کامل توصیف نمی‌کند. طرح برد مدار چاپی، صفحه زمین، اجزای تطبیقی ​​و مواد اطراف می‌توانند رزونانس را تغییر داده و بر راندمان تابش تأثیر بگذارند.

هنگام ارزیابی آنتن نصب شده روی برد مدار چاپی (PCB)، از چیدمان پیشنهادی سازنده و الزامات مربوط به فاصله‌گذاری پیروی کنید. از قرار دادن باتری‌ها، براکت‌های فلزی، قاب‌های نمایشگر، سپرها یا سایر سازه‌های رسانا در نزدیکی عنصر تابشی خودداری کنید، مگر اینکه طراحی در آن پیکربندی ارزیابی شده باشد.

برای اطلاعات بیشتر در مورد ادغام آنتن‌های PCB، به مقاله «آنتن پچ در مقابل تراشه در مقابل PCB برای دستگاه‌های پوشیدنی BLE» مراجعه کنید . اگرچه این مقاله بر ادغام دستگاه‌های پوشیدنی تمرکز دارد، اما اصول چیدمان و فاصله‌گذاری آن هنگام برنامه‌ریزی طراحی آنتن‌های فشرده نیز مفید است.

تک‌قطبی‌های مارپیچی برای طرح‌های فشرده زیر گیگاهرتز

یک مونوپل مارپیچی از یک ساختار سیم‌پیچ رسانا برای ارائه یک پیاده‌سازی آنتن فشرده استفاده می‌کند. انواع سوراخ‌دار می‌توانند زمانی مفید باشند که PCB و طراحی مکانیکی با سبک نصب و الزامات فاصله قطعه مطابقت داشته باشند.

تصور نکنید که هر آنتن مارپیچی از نظر الکتریکی یا مکانیکی قابل تعویض با دیگری است. یک نسخه سوراخ‌دار و یک نسخه نصب‌شده روی سطح ممکن است در یک دستگاه خاص، ابعاد، الزامات نصب و عملکرد متفاوتی داشته باشند. قبل از اصلاح PCB، شماره قطعه دقیق و نقشه سازنده آن را تأیید کنید.

آنتن‌های شلاقی و لاستیکی خارجی

یک آنتن خارجی می‌تواند زمانی مفید باشد که محفظه اجازه دهد آنتن از منابع اصلی ناهماهنگی فرکانس رادیویی دور باشد. این چیدمان ممکن است برای دروازه‌ها، تجهیزات نظارتی و دستگاه‌هایی که در آنها مشخصات آنتن بزرگتر قابل قبول است، مناسب باشد.

فرکانس نامی آنتن، امپدانس، مشخصات بهره، قطبش، رابط نصب و در صورت لزوم، چیدمان کابل یا تغذیه را بررسی کنید. نصب نهایی همچنین باید از نظر دوام مکانیکی و عملکرد RF در محیط عملیاتی مورد نظر ارزیابی شود.

۳. اصول طول موج و صفحه زمین را اعمال کنید

طول موج نقطه شروع مفیدی برای درک ابعاد آنتن فراهم می‌کند. این به خودی خود اندازه فیزیکی نهایی یک آنتن کاربردی را تعیین نمی‌کند، زیرا بارگذاری، هندسه سیم‌پیچ، مواد دی‌الکتریک، رساناهای مجاور و شبکه تطبیق، همگی بر طراحی تأثیر می‌گذارند.

طول موج را در 868 مگاهرتز محاسبه کنید

برای تخمین اولیه، از فرمول زیر استفاده کنید:

طول موج (λ) بر حسب متر ≈ ۳۰۰ ÷ فرکانس (مگاهرتز)

در فرکانس ۸۶۸ مگاهرتز:

• طول موج: λ ≈ ۳۰۰ ÷ ۸۶۸ ≈ ۰.۳۴۶ متر یا تقریباً ۳۴۶ میلی‌متر.
• طول موج یک چهارم: λ/4 ≈ 86.4 میلی‌متر.

نتیجه یک چهارم طول موج، مرجع نظری برای یک تک قطبی ساده در فضای آزاد است. یک آنتن عملی ممکن است از نظر فیزیکی کوتاه‌تر باشد یا از طریق بارگذاری و تنظیم، پیکربندی دیگری داشته باشد. طول و عملکرد الکتریکی مؤثر آن به ساختار و نصب آنتن بستگی دارد.

چرا سطح زمین اهمیت دارد؟

یک آنتن تک‌قطبی در ارتباط با ساختار زمین خود عمل می‌کند. صفحه زمین PCB، چیدمان نصب و اجزای رسانای مجاور، بر توزیع جریان و الگوی تابش تأثیر می‌گذارند. صفحه زمینی که با تنظیمات مرجع سازنده متفاوت باشد، می‌تواند تطبیق امپدانس و عملکرد واقعی را تغییر دهد.

برای مثال، اطلاعات محصول TE Connectivity ANT-868-HETH در مستندات آنتن خود، مرجعی با ابعاد صفحه زمین 38 × 84 میلی‌متر را مشخص می‌کند. این باید به عنوان یک پیکربندی مرجع برای ارزیابی در نظر گرفته شود، نه به عنوان یک الزام جهانی برای اندازه PCB برای هر آنتن 868 مگاهرتز.

هنگام طراحی برد مدار چاپی (PCB)، این مراحل عملی را در نظر بگیرید:

1. از الگوی زمین، اتصال زمین و ناحیه دور از دسترس توصیه شده توسط سازنده آنتن پیروی کنید.
2. در صورت لزوم طبق راهنمای طراحی، اشیاء رسانا و اجزای حساس را از بخش تابشی دور نگه دارید.
3. تغذیه آنتن و شبکه تطبیق را طبق طرح RF توصیه شده قرار دهید.
4. اگر فرآیند طراحی نیاز به تنظیم امپدانس دارد، فضایی برای تنظیم قطعات در نظر بگیرید.
5. به جای تکیه صرف بر محاسبات یا شبیه‌سازی PCB ساده، آنتن را در محصول مونتاژ شده اندازه‌گیری کنید.

برای ملاحظات طراحی دقیق‌تر، به «طراحی آنتن RF: راهنمای عملی برای مهندسان سطح متوسط» مراجعه کنید.

تطبیق و اندازه‌گیری

مشخصات امپدانس ۵۰ اهم یک مرجع مفید برای رابط است، اما تضمین نمی‌کند که آنتن هنگام نصب در محصول نهایی، بار ۵۰ اهمی را ارائه دهد. آنتن و برد مدار چاپی با هم سیستم RF را تشکیل می‌دهند.

از یک تحلیلگر شبکه برداری (VNA) برای ارزیابی تطبیق ورودی در باند عملیاتی مورد نیاز استفاده کنید. اندازه‌گیری‌های S11 و VSWR می‌توانند به شناسایی تغییرات رزونانس و مشکلات تطبیق کمک کنند. در صورت امکان، راندمان کل تابشی، الگوهای تابشی و عملکرد ارتباطات هوایی را نیز ارزیابی کنید.

یک نتیجه خوب در S11 به تنهایی تضمین کننده راندمان بالای تابش یا برد ارتباطی مورد انتظار نیست. تلفات رسانایی، تلفات دی الکتریک، اثرات محفظه، جهت آنتن و محیط گیرنده، همگی بر نتایج دنیای واقعی تأثیر می‌گذارند.

4. مقایسه کنید Kinghelm محصولات ۸۶۸ مگاهرتز با TE ANT-868-HETH

هنگام مقایسه محصولات، بین مشخصات الکتریکی و سازگاری مکانیکی تمایز قائل شوید. یک آنتن فشرده نصب شده روی PCB، یک آنتن لاستیکی خارجی و یک تک قطبی مارپیچی سوراخ‌دار، همگی می‌توانند برای طرح‌های Sub-GHz در نظر گرفته شوند، اما آنها الزامات یکپارچه‌سازی متفاوتی را برآورده می‌کنند.

نماینده Kinghelm محصولات - Sanxin

مهم: مقادیر فوق، مشخصات محصول ذکر شده توسط سازنده هستند، نه مقایسه عملکرد کنترل شده و در شرایط یکسان. ارقام بهره نباید مستقیماً معادل تفسیر شوند، مگر اینکه تعاریف اندازه‌گیری و شرایط آزمایش قابل مقایسه باشند. طرح نهایی باید در PCB، محفظه و محیط نصب مورد نظر خود ارزیابی شود.

چگونه مقایسه را تفسیر کنیم

KH-10032-A83 یک گزینه جمع و جور نصب شده روی PCB با فرکانس مرکزی ۸۶۸ مگاهرتز و پهنای باند ۱۰ مگاهرتز است. ارزیابی آن زمانی که طراحی، فضای آنتن کوچک را در اولویت قرار می‌دهد، با توجه به باند عملیاتی مورد نیاز و راهنمای طرح‌بندی سازنده، می‌تواند ارزشمند باشد.

KH-(868)-J505-JB به عنوان یک آنتن لاستیکی با فرکانس اسمی ۸۶۸ مگاهرتز، امپدانس ۵۰ اهم و بهره ۲.۰ دسی‌بلی فهرست شده است. این آنتن رویکردی متفاوت از آنتن سرامیکی نصب شده روی PCB را ارائه می‌دهد و می‌تواند زمانی در نظر گرفته شود که طراحی مکانیکی محصول، یک آنتن خارجی یا جداگانه نصب شده را در خود جای دهد.

TE ANT-868-HETH یک تک‌قطبی مارپیچی حفره‌ای با عملکرد ذکر شده توسط سازنده در رده فرکانسی 862-870 مگاهرتز است. سبک نصب و ویژگی‌های الکتریکی آن باید در مقایسه با نیازهای واقعی محصول مورد نظر ارزیابی شود.

اینها Kinghelm محصولات نباید بدون تأیید، به عنوان جایگزین‌های مستقیم TE ANT-868-HETH معرفی شوند. تفاوت در نصب، تعامل با صفحه زمین، تطبیق، فاصله مکانیکی و عملکرد RF ممکن است نیاز به تغییرات PCB یا محفظه داشته باشد. قبل از تأیید محصول انتخابی برای تولید، ابعاد دقیق، رابط و اسناد انطباق آن را تأیید کنید.

۵. اعتبارسنجی عملکرد RF در دستگاه نهایی

حتی یک آنتن که به درستی مشخص شده باشد، می‌تواند پس از ادغام، رفتار متفاوتی داشته باشد. یک محفظه فلزی، باتری، صفحه نمایش، کابل، براکت نصب یا مدار مجاور می‌تواند امپدانس و ویژگی‌های تابشی آنتن را تغییر دهد. به همین دلیل، اعتبارسنجی آنتن باید بخشی از فرآیند توسعه محصول باشد، نه یک بررسی نهایی منبع.

چک لیست اعتبارسنجی توصیه شده

• پوشش فرکانس: تأیید کنید که آنتن تمام کانال‌های مورد نیاز و باند منطقه‌ای مربوطه را پوشش می‌دهد.
• تطبیق امپدانس: با استفاده از یک دستگاه تست RF مناسب، S11 یا VSWR را در محدوده عملیاتی اندازه‌گیری کنید.
• راندمان تابش: هر زمان که منابع آزمایشی اجازه دهند، عملکرد تابشی را در یک دستگاه مونتاژ شده نمونه ارزیابی کنید.
• گرایش: جهت آنتن مورد نظر و موقعیت مورد انتظار محصول را در حین استفاده ارزیابی کنید.
• اثرات صفحه زمین: طرح نهایی PCB را با پیکربندی توصیه شده یا مرجع سازنده مقایسه کنید.
• اثرات محصورسازی: با نصب محفظه نهایی، باتری، صفحه نمایش و قطعات رسانای اصلی، آزمایش کنید.
• عملکرد ارتباطی: به جای تکیه صرف بر بهره آنتن، لینک رادیویی واقعی را تحت شرایط عملیاتی نمونه آزمایش کنید.
• مناسب بودن محیط زیست: الزامات دما، رطوبت، ارتعاش و مکانیکی را با مستندات محصول مطابقت دهید.
• انطباق مقررات: تأیید کنید که دستگاه نهایی، الزامات مربوط به رادیو و محصول را در بازار هدف خود برآورده می‌کند.

در مواردی که محصول برای LoRaWAN یا سایر کاربردهای بی‌سیم با برد طولانی در نظر گرفته شده است، آزمایش باید منعکس کننده محیط استقرار واقعی باشد. ارتفاع نصب، جهت آنتن، موانع، تداخل و آنتن گیرنده، همگی می‌توانند بر عملکرد لینک تأثیر بگذارند.

برای طرح‌های نصب‌شده روی برد مدار چاپی، اگر اندازه‌گیری‌های اولیه RF نشان دهد که تنظیم مورد نیاز است، فضای کافی برای تنظیمات شبکه تطبیق در نظر بگیرید. هرگونه تغییر در اجزا باید مستندسازی و روی سخت‌افزار نماینده تولید تأیید شود.

۶. در مورد طراحی و تامین منابع فرکانس زیر گیگاهرتز آگاهانه تصمیم بگیرید.

تصمیم‌گیری عملی در مورد آنتن زیر گیگاهرتز با باند فرکانسی هدف شروع می‌شود و با ادغام مکانیکی، اعتبارسنجی RF و بررسی منبع‌یابی ادامه می‌یابد. کوچکترین آنتن لزوماً بهترین انتخاب نیست و رقم بهره بالاتر منتشر شده، عملکرد بهتر را در هر محصولی تضمین نمی‌کند.

برای یک دستگاه جمع و جور، یک آنتن نصب شده روی PCB مانند KH-10032-A83 می‌تواند در صورتی که محدوده فرکانس ذکر شده و الزامات طرح‌بندی آن با طرح مطابقت داشته باشد، کاندید ارزیابی باشد. هنگامی که یک آنتن نصب شده جداگانه مناسب‌تر باشد، KH-(868)-J505-JB فاکتور شکل دیگری را برای ارزیابی ارائه می‌دهد. برای طرح‌هایی که نیاز به یک تک قطبی مارپیچی از طریق سوراخ دارند، TE ANT-868-HETH یک مرجع مستند شده توسط سازنده برای ارزیابی آن پیکربندی ارائه می‌دهد.

قبل از نهایی کردن لیست مواد، مدل دقیق، باند عملیاتی، نقشه مکانیکی، امپدانس، شرایط اندازه‌گیری بهره، رابط نصب و اطلاعات انطباق مربوطه را تأیید کنید. در صورت تعویض آنتن موجود، به جای تکیه صرف بر فرکانس اسمی، هم تناسب مکانیکی و هم عملکرد RF را در دستگاه واقعی آزمایش کنید.

Kinghelmمجموعه آنتن‌های این شرکت شامل محصولاتی برای نیازهای مختلف ادغام بی‌سیم است. مهندسان و تیم‌های خرید می‌توانند مشخصات منتشر شده محصول را بررسی کرده و قبل از انتخاب قطعه برای تولید، مناسب بودن آن را برای کاربرد مورد نظر خود تأیید کنند.

برای راهنمایی بیشتر در مورد ادغام آنتن، به «چگونه یک آنتن بلوتوث انتخاب کنیم؟ از پچ تا سرامیک» مراجعه کنید . اگرچه تمرکز این مقاله بر بلوتوث است، اما زمینه‌های بیشتری در مورد تطبیق ساختار آنتن با فضای محصول موجود و محدودیت‌های ادغام ارائه می‌دهد.

منابع

1. اتصال TE، صفحه محصول ANT-868-HETH.
2. اتصال TE، کاتالوگ آنتن.
3. Kinghelm, لیست محصولات آنتن.
4. Kinghelm, لیست محصولات آنتن لاستیکی.
5. Kinghelm, طراحی آنتن RF: راهنمای عملی برای مهندسان سطح متوسط.
6. Kinghelm, آنتن پچ در مقابل تراشه در مقابل PCB برای دستگاه‌های پوشیدنی BLE.
7. Kinghelm, چگونه یک آنتن بلوتوث انتخاب کنیم؟ از پچ تا سرامیک.