בחירת אנטנה 868 מגה-הרץ: עיצוב אנטנה סלילית, שוט ואנטנה תת-GHz להרכבה על PCB

בחירת אנטנה עבור מכשיר אלחוטי 868 מגה-הרץ כרוכה ביותר מאשר התאמת תדר הפעולה הנומינלי. מהנדסים חייבים לקחת בחשבון גם את תוכנית התדרים האזורית, משטח ההארקה הזמין, שיטת ההרכבה, חומרי המארז, דפוס הקרינה וביצועי ה-RF הנדרשים על ידי היישום. גורמים אלה חשובים במיוחד עבור LoRaWAN, LPWAN, ניטור מרחוק, מדידה חכמה ומערכות אלחוטיות אחרות בתדר תת-GHz.

מדריך זה מסביר כיצד להעריך אנטנות המותקנות על PCB, מונופולים סליליים ואנטנות חיצוניות בסגנון שוט עבור יישומי 868 מגה-הרץ. הוא גם מציג חישובים מעשיים של אורך גל ומישור הארקה, ומשווה אנטנות מייצגות. Kinghelm מוצרים עם ה-TE Connectivity ANT-868-HETH, ומפרט את שלבי אימות ה-RF הנדרשים לפני הייצור.

1. אשר את טווח התדרים ודרישות היישום

לפני בחירת אנטנה, יש לוודא את טווח התדרים בפועל בו משתמש המכשיר ואת התקנות החלות בשוק היעד שלו. המונחים 433 מגה-הרץ, 470 מגה-הרץ, 868 מגה-הרץ ו-915 מגה-הרץ מתארים קטגוריות תדרים נפוצות מסוג Sub-GHz, אך הם אינם ניתנים להחלפה. הקצאות אזוריות, הספק שידור מותר, מגבלות מחזור עבודה ותוכניות ערוצים משתנות.

אין להניח באופן אוטומטי שאנטנה שתוכננה סביב 868 מגה-הרץ מתפקדת היטב בתחום 915 מגה-הרץ. אפילו כאשר שני מוצרים נראים דומים, תדרי התהודה שלהם, רשתות התואמות ומאפייני הקרינה שלהם יכולים להיות שונים באופן משמעותי.

עבור עיצוב חדש, יש לתעד את הדרישות הבאות לפני בחירת מועמדים לאנטנות:

• תדר פעולה: ציין את טווח התדרים בפועל ולא רק את תדר המרכז הנומינלי.
• טכנולוגיית רדיו: זהה האם היישום משתמש ב-LoRaWAN, בפרוטוקול LPWAN אחר, בטלמטריה או בקישור Sub-GHz קנייני.
• שטח פנוי: רשום את מידות ה-PCB, שטח המרווח, מידות המארז וגובה האנטנה המותר.
• שיטת הרכבה: החליטו האם התכנון דורש רכיב המותקן על לוח מודפס, אנטנה עם חור מעבר או אנטנה חיצונית.
• מטרות RF: הגדר התאמת עכבה מקובלת, יעילות, כיסוי קרינה וטווח תקשורת.
• דרישות איכות הסביבה: יש לקחת בחשבון טמפרטורה, חשיפה לחות, רעידות וסביבת ההתקנה המיועדת.

אנטנה קומפקטית יכולה לפשט את האינטגרציה המכנית, אך הגודל לבדו אינו קובע את ביצועי המערכת. האנטנה חייבת לעבוד עם המכשיר כולו, כולל משטח הארקה, מארז, סוללה, כבלים ורכיבים אלקטרוניים סמוכים.

2. השווה תצורות אנטנה המותקנת על PCB, אנטנה הסלילית ואנטנה חיצונית

מבני אנטנה שונים מתייחסים לאילוצים מכניים ותדר רדיו שונים. אנטנה קרמית המותקנת על PCB יכולה לסייע בחיסכון במקום, בעוד שאנטנה מונופול סלילי מספקת יישום קומפקטי של רדיאטור מונופול. אנטנת שוט חיצונית או אנטנת גומי יכולה להזיז את הרכיב המקרין הרחק מחלק מהאלקטרוניקה ועשויה להציע גמישות רבה יותר במיקום.

אנטנות המותקנות על PCB עבור התקנים מוגבלים במקום

אנטנה המותקנת על PCB יכולה להיות אופציה מעשית כאשר מארז המוצר קטן ואלמנט קרינה חיצוני אינו רצוי. עם זאת, ההגבר או תדר המרכז שפורסמו של האנטנה אינם מתארים באופן מלא את ביצועיה לאחר ההתקנה. פריסת ה-PCB, מישור ההארקה, הרכיבים התואמים והחומרים הסובבים יכולים לשנות את התהודה ולהשפיע על יעילות הקרינה.

בעת הערכת אנטנה המותקנת על PCB, יש לפעול לפי דרישות היצרן בנוגע למבנה ולמיקום הרחק מהמשטח. יש להימנע מהצבת סוללות, סוגריים מתכתיים, מסגרות תצוגה, מגנים או מבנים מוליכים אחרים קרוב מדי לרכיב המקרין, אלא אם כן התכנון הוערך בתצורה זו.

לרקע נוסף על שילוב אנטנות PCB, ראו אנטנת Patch לעומת Chip לעומת PCB עבור מכשירים לבישים מסוג BLE . למרות שהמאמר מתמקד בשילוב התקנים לבישים, עקרונות הפריסה והמרווח שלו שימושיים גם בעת תכנון עיצובי אנטנות קומפקטיות.

מונופולים הסליליים עבור תכנונים קומפקטיים בתדר תת-GHz

מונופול הסלילי משתמש במבנה סליל מוליך כדי לספק יישום קומפקטי של אנטנה. גרסאות של חור-עובר יכולות להיות שימושיות כאשר המעגל המודפס והתכנון המכני מתאימים לסגנון ההרכבה ולדרישות המרווח של הרכיב.

אין להניח שכל אנטנה סלילית ניתנת להחלפה חשמלית או מכנית עם אחרת. לגרסה עם חור מעבר ולגרסה המותקנת על פני השטח עשויים להיות דרישות התקנה שונות, ביצועים שונים בהתקן מסוים. יש לאשר את מספר החלק המדויק ואת שרטוט היצרן לפני שינוי המעגל המודפס.

אנטנות חיצוניות של שוט וגומי

אנטנה חיצונית יכולה להיות שימושית כאשר המארז מאפשר למקם את האנטנה הרחק ממקורות עיקריים של כוונון RF. סידור זה עשוי להתאים לשערים, ציוד ניטור ומכשירים שבהם פרופיל אנטנה גדול יותר מקובל.

בדקו את התדר המדורג של האנטנה, עכבה, מפרט הגברה, קיטוב, ממשק הרכבה וסידור כבלים או הזנה, במידת הצורך. יש להעריך גם את ההתקנה הסופית מבחינת עמידות מכנית וביצועי RF בסביבת ההפעלה המיועדת.

3. יישום עקרונות אורך הגל ומישור הקרקע

אורך הגל מספק נקודת התחלה שימושית להבנת ממדי האנטנה. הוא כשלעצמו אינו קובע את הגודל הפיזי הסופי של אנטנה מעשית, מכיוון שעומס, גיאומטריית הסליל, חומרים דיאלקטריים, מוליכים סמוכים ורשת ההתאמה - כולם משפיעים על התכנון.

חשב את אורך הגל ב-868 מגה-הרץ

לצורך הערכה ראשונית, השתמשו בנוסחה הבאה:

אורך גל (λ) במטרים ≈ 300 ÷ תדר (MHz)

ב-868 מגהרץ:

• אורך גל: λ ≈ 300 ÷ 868 ≈ 0.346 מטר, או בערך 346 מ"מ.
• רבע אורך גל: λ/4 ≈ 86.4 מ"מ.

תוצאת רבע אורך הגל היא ייחוס תיאורטי למונופול פשוט במרחב חופשי. אנטנה מעשית עשויה להיות קצרה יותר פיזית או שתצורתה תצורה אחרת באמצעות עומס וכיוונון. אורכה החשמלי האפקטיבי והביצועים שלה תלויים במבנה האנטנה ובהתקנה.

למה מישור הקרקע חשוב

אנטנה חד-קוטבית פועלת בשיתוף פעולה עם מבנה ההארקה שלה. מישור ההארקה של המעגל המודפס (PCB), סידור ההרכבה והרכיבים המוליכים הסמוכים משפיעים על פיזור הזרם ודפוס הקרינה. מישור הארקה השונה ממערך הייחוס של היצרן יכול לשנות את התאמת העכבה ואת הביצועים הממומשים.

לדוגמה, פרטי המוצר של TE Connectivity ANT-868-HETH מזהים ייחוס למישור הארקה בגודל 38 × 84 מ"מ בתיעוד האנטנה שלו. יש להתייחס לכך כאל תצורת ייחוס לצורך הערכה, ולא כדרישה אוניברסלית לגודל PCB עבור כל אנטנה של 868 מגה-הרץ.

בעת פריסת ה-PCB, יש לקחת בחשבון את הצעדים המעשיים הבאים:

1. יש לפעול לפי תבנית ההארקה, חיבור ההארקה ואזור המרוחק המומלצים של יצרן האנטנה.
2. הרחק עצמים מוליכים ורכיבים רגישים מהחלק המקרין, במידת הצורך, על פי הנחיות התכנון.
3. מקם את הזנת האנטנה ואת רשת ההתאמה בהתאם לפריסת ה-RF המומלצת.
4. יש לאפשר מקום לכוונון רכיבים אם תהליך התכנון דורש כוונון עכבה.
5. מדדו את האנטנה במוצר המורכב, במקום להסתמך רק על חישובים או סימולציה של PCB חשוף.

לשיקולי תכנון מפורטים יותר, ראו תכנון אנטנת RF: מדריך מעשי למהנדסים בינוניים.

התאמה ומדידה

מפרט עכבה של 50 אוהם הוא נקודת ייחוס שימושית לממשק, אך הוא אינו מבטיח שהאנטנה תציג עומס של 50 אוהם כאשר היא מותקנת במוצר הסופי. האנטנה והמעגל המודפס יחד יוצרים את מערכת ה-RF.

השתמשו במנתח רשתות וקטורים (VNA) כדי להעריך את התאמת הקלט על פני פס הפעולה הנדרש. מדידות S11 ו-VSWR יכולות לסייע בזיהוי שינויי תהודה ובעיות התאמה. במידת האפשר, יש להעריך גם את יעילות הקרינה הכוללת, דפוסי הקרינה וביצועי התקשורת האווירית.

תוצאת S11 טובה לבדה אינה מבטיחה יעילות קרינה גבוהה או את טווח התקשורת הצפוי. הפסדים מוליכים, הפסדים דיאלקטריים, אפקטים של מתחם, כיוון האנטנה וסביבת המקלט - כולם משפיעים על התוצאות בעולם האמיתי.

4. השווה Kinghelm מוצרי 868 מגה-הרץ עם דגם TE ANT-868-HETH

בעת השוואת מוצרים, יש להבחין בין מפרטים חשמליים לתאימות מכנית. אנטנה קומפקטית המותקנת על PCB, אנטנת גומי חיצונית ומונופול סלילי עם חור מעבר, כולם יכולים להילקח בחשבון עבור עיצובים תת-GHz, אך הם משרתים דרישות אינטגרציה שונות.

נציג Kinghelm מוצרים

חשוב: הערכים לעיל הם מפרטי מוצר רשומים על ידי היצרן, ולא השוואת ביצועים מבוקרת באותו תנאי. אין לפרש את נתוני ההגבר כשווה ערך ישירות אלא אם כן הגדרות המדידה ותנאי הבדיקה דומים. יש להעריך את התכנון הסופי בסביבת המעגל המודפס, המארז וההתקנה המיועדת לו.

כיצד לפרש את ההשוואה

ה-KH-10032-A83 הוא אופציה קומפקטית המותקנת על PCB עם תדר מרכזי של 868 מגה-הרץ ורוחב פס של 10 מגה-הרץ. ייתכן שכדאי להעריך זאת כאשר התכנון נותן עדיפות לשטח אנטנה קטן, בכפוף לפס ההפעלה הנדרש ולהנחיות הפריסה של היצרן.

האנטנה KH-(868)-J505-JB רשומה כאנטנת גומי עם תדר נומינלי של 868 מגה-הרץ, עכבה של 50 אוהם והגבר של 2.0 dBi. היא מייצגת גישת אינטגרציה שונה מאנטנה קרמית המותקנת על PCB וניתן לשקול אותה כאשר התכנון המכני של המוצר מתאים לאנטנה חיצונית או אנטנה המותקנת בנפרד.

ה-TE ANT-868-HETH הוא מונופול סלילי חור-עובר עם פעולה רשומה על ידי היצרן בקטגוריית התדרים 862-870 מגה-הרץ. יש להעריך את סגנון ההרכבה והמאפיינים החשמליים שלו מול הדרישות בפועל של מוצר היעד.

אלה Kinghelm אין לתאר מוצרים כתחליפים ישירים ל-TE ANT-868-HETH ללא אימות. הבדלים בהרכבה, באינטראקציה בין משטח הארקה, בהתאמה, במרווח מכני ובביצועי RF עשויים לדרוש שינויים במעגל המודפס או במארז. יש לאשר את המידות המדויקות, הממשק ותיעוד התאימות עבור המוצר שנבחר לפני אישורו לייצור.

5. אימות ביצועי RF במכשיר הסופי

אפילו אנטנה שצוינה כהלכה יכולה להתנהג בצורה שונה לאחר האינטגרציה. מארז מתכת, סוללה, תצוגה, כבל, תושבת הרכבה או מעגל סמוך יכולים לשנות את מאפייני העכבה והקרינה של האנטנה. מסיבה זו, אימות אנטנה צריך להיות חלק מתהליך פיתוח המוצר ולא בדיקת מקור סופית.

רשימת בדיקה מומלצת לאימות

• כיסוי תדרים: ודא שהאנטנה מכסה את כל הערוצים הנדרשים ואת הפס האזורי הרלוונטי.
• התאמת עכבה: מדוד את S11 או VSWR על פני טווח הפעולה באמצעות מערך בדיקת RF מתאים.
• יעילות קרינה: הערכת ביצועי הקרינה במכשיר מורכב מייצג בכל עת שמשאבי הבדיקה מאפשרים זאת.
• הִתמַצְאוּת: הערך את כיוון האנטנה המיועד ואת המיקום הצפוי של המוצר במהלך השימוש.
• השפעות מישור הקרקע: השווה את פריסת ה-PCB הסופית לתצורה המומלצת או לתצורת הייחוס של היצרן.
• אפקטים של חיבור: יש לבדוק כאשר המארז הסופי, הסוללה, הצג והחלקים המוליכים העיקריים מותקנים.
• ביצועי תקשורת: בדקו את קישור הרדיו בפועל בתנאי הפעלה מייצגים במקום להסתמך על הגבר האנטנה בלבד.
• התאמה סביבתית: ודא את הדרישות המכניות, הטמפרטורה, הלחות, הרטט והטמפרטורה מול תיעוד המוצר.
• תאימות לתקנות: ודא שהמכשיר המוגמר עומד בדרישות הרדיו והמוצר הרלוונטיות בשוק היעד שלו.

כאשר המוצר מיועד ל-LoRaWAN או יישום אלחוטי ארוך טווח אחר, הבדיקות צריכות לשקף את סביבת הפריסה האמיתית. גובה ההתקנה, כיוון האנטנה, חסימות, הפרעות ואנטנת הקליטה - כולם יכולים להשפיע על ביצועי הקישור.

עבור תכנונים המותקנים על PCB, יש להשאיר מספיק מקום להתאמות רשת התאמה אם מדידות ה-RF הראשוניות מראות שנדרשת כוונון. יש לתעד ולאמת כל שינוי ברכיבים על חומרה המייצגת את הייצור.

6. קבלו החלטה מושכלת לגבי תכנון ואספקה ​​בתדרים תת-GHz

החלטה מעשית לגבי אנטנת Sub-GHz מתחילה בפס התדרים של היעד וממשיכה דרך אינטגרציה מכנית, אימות RF וסקירת מקורות. האנטנה הקטנה ביותר אינה בהכרח הבחירה הטובה ביותר, ונתון הגבר גבוה יותר שפורסם אינו מבטיח ביצועים טובים יותר בכל מוצר.

עבור התקן קומפקטי, אנטנה המותקנת על PCB כגון KH-10032-A83 עשויה להיות מועמדת להערכה כאשר טווח התדרים ודרישות הפריסה המפורטות שלה תואמות את התכנון. כאשר אנטנה המותקנת בנפרד מתאימה יותר, ה-KH-(868)-J505-JB מספק גורם צורה נוסף להערכה. עבור עיצובים הדורשים מונופול סלילי חור-עובר, ה-TE ANT-868-HETH מספק מקור ייחוס מתועד על ידי היצרן להערכת תצורה זו.

לפני סיום יצירת רשימת חומרים, יש לאשר את הדגם המדויק, תחום ההפעלה, השרטוט המכני, העכבה, תנאי מדידת ההגבר, ממשק ההרכבה ומידע התאימות הרלוונטי. אם מחליפים אנטנה קיימת, יש לבדוק הן את ההתאמה המכנית והן את ביצועי ה-RF במכשיר בפועל במקום להסתמך על תדר נומינלי בלבד.

Kinghelmתיק האנטנות של כולל מוצרים לדרישות אינטגרציה אלחוטיות שונות. מהנדסים וצוותי רכש יכולים לעיין במפרטי המוצר שפורסמו ולאשר את התאמתם ליישום המיועד שלהם לפני בחירת חלק לייצור.

לקבלת הדרכה נוספת בנוגע לשילוב אנטנות, קראו את המאמר "כיצד לבחור אנטנת בלוטות'? מטלית לקרמיקה" . למרות שהמאמר מתמקד בבלוטות', הוא מספק הקשר נוסף על התאמת מבנה האנטנה למרחב המוצר הזמין ולאילוצי האינטגרציה.

הפניות

1. TE Connectivity, דף מוצר ANT-868-HETH.
2. TE Connectivity, קטלוג אנטנות.
3. Kinghelm, רשימת מוצרי אנטנה.
4. Kinghelm, רשימת מוצרים של אנטנת גומי.
5. Kinghelm, תכנון אנטנת RF: מדריך מעשי למהנדסים ברמה בינונית.
6. Kinghelm, אנטנת טלאי לעומת שבב לעומת אנטנת PCB עבור מכשירים לבישים מסוג BLE.
7. Kinghelm, כיצד לבחור אנטנת בלוטות'? מטלאי לקרמיקה.