Wybór anteny 868 MHz: konstrukcja anteny helikalnej, biczowej i sub-GHz do montażu na płytce drukowanej

Wybór anteny dla urządzenia bezprzewodowego 868 MHz to nie tylko kwestia dopasowania do nominalnej częstotliwości roboczej. Inżynierowie muszą również uwzględnić regionalny plan częstotliwości, dostępną płaszczyznę uziemienia, sposób montażu, materiały obudowy, charakterystykę promieniowania oraz parametry RF wymagane przez aplikację. Czynniki te są szczególnie istotne w przypadku sieci LoRaWAN, LPWAN, zdalnego monitoringu, inteligentnego pomiaru i innych systemów bezprzewodowych Sub-GHz.

W tym przewodniku wyjaśniono, jak oceniać anteny montowane na płytkach PCB, monopole helikalne i zewnętrzne anteny biczowe do zastosowań w paśmie 868 MHz. Wprowadzono również praktyczne obliczenia długości fali i płaszczyzny uziemienia oraz porównano reprezentatywne Kinghelm produktów z TE Connectivity ANT-868-HETH i opisuje kroki weryfikacji RF niezbędne przed rozpoczęciem produkcji.

1. Potwierdź wymagania dotyczące pasma operacyjnego i aplikacji

Przed wyborem anteny należy sprawdzić rzeczywisty zakres częstotliwości wykorzystywany przez urządzenie oraz przepisy obowiązujące na rynku docelowym. Terminy 433 MHz, 470 MHz, 868 MHz i 915 MHz opisują powszechnie używane kategorie częstotliwości Sub-GHz, ale nie można ich stosować zamiennie. Przydziały regionalne, dopuszczalna moc nadawania, ograniczenia cyklu pracy i plany kanałów różnią się.

Antena zaprojektowana na częstotliwość 868 MHz nie powinna automatycznie działać dobrze w paśmie 915 MHz. Nawet jeśli dwa produkty wyglądają podobnie, ich częstotliwości rezonansowe, sieci dopasowania i charakterystyki promieniowania mogą się znacznie różnić.

W przypadku nowego projektu należy udokumentować następujące wymagania przed zakwalifikowaniem kandydatów na anteny:

• Częstotliwość pracy: Podaj rzeczywisty zakres częstotliwości, a nie tylko nominalną częstotliwość środkową.
• Technologia radiowa: Określ, czy aplikacja korzysta z protokołu LoRaWAN, innego protokołu LPWAN, telemetrii czy zastrzeżonego łącza Sub-GHz.
• Wolne miejsce: Zapisz wymiary płytki PCB, przestrzeń prześwitu, wymiary obudowy i dopuszczalną wysokość anteny.
• Metoda montażu: Zdecyduj, czy projekt wymaga elementu montowanego na płytce PCB, anteny przewlekanej czy anteny zewnętrznej.
• Cele RF: Zdefiniuj dopuszczalne dopasowanie impedancji, wydajność, zasięg promieniowania i zasięg komunikacji.
• Wymagania środowiskowe: Należy wziąć pod uwagę temperaturę, narażenie na wilgoć, wibracje i przewidywane środowisko instalacji.

Kompaktowa antena może uprościć integrację mechaniczną, ale sam rozmiar nie decyduje o wydajności systemu. Antena musi współpracować z całym urządzeniem, w tym z płaszczyzną uziemienia, obudową, akumulatorem, kablami i znajdującymi się w pobliżu podzespołami elektronicznymi.

2. Porównaj konfiguracje anten montowanych na płytce drukowanej, helikalnych i zewnętrznych

Różne konstrukcje anten uwzględniają różne ograniczenia mechaniczne i częstotliwości radiowe. Ceramiczna antena montowana na płytce drukowanej (PCB) może pomóc zaoszczędzić miejsce, natomiast antena monopolowa helikalna zapewnia kompaktową implementację radiatora monopolowego. Zewnętrzna antena biczowa lub gumowa może odsunąć element promieniujący od części elektroniki i zapewnić większą elastyczność w pozycjonowaniu.

Anteny montowane na płytkach PCB do urządzeń o ograniczonej przestrzeni

Antena montowana na płytce PCB może być praktycznym rozwiązaniem, gdy obudowa produktu jest mała, a zewnętrzny element promieniujący jest niepożądany. Jednak opublikowane wzmocnienie anteny lub częstotliwość środkowa nie w pełni opisują jej wydajność po instalacji. Układ płytki PCB, płaszczyzna uziemienia, dopasowane komponenty i otaczające materiały mogą zmieniać rezonans i wpływać na wydajność promieniowania.

Oceniając antenę montowaną na płytce drukowanej, należy przestrzegać zaleceń producenta dotyczących rozmieszczenia i odległości od źródła promieniowania. Należy unikać umieszczania baterii, metalowych uchwytów, ramek wyświetlacza, osłon ani innych przewodzących elementów zbyt blisko elementu promieniującego, chyba że projekt został oceniony w takiej konfiguracji.

Więcej informacji na temat integracji anten PCB można znaleźć w artykule „ Antena patchowa, chipowa i PCB dla urządzeń noszonych BLE” . Chociaż artykuł koncentruje się na integracji urządzeń noszonych, zawarte w nim zasady dotyczące układu i odstępów są również przydatne przy planowaniu kompaktowych projektów anten.

Monopole helikalne do kompaktowych projektów sub-GHz

Monopole helikalne wykorzystują strukturę cewki przewodzącej, aby zapewnić kompaktową implementację anteny. Warianty przewlekane mogą być przydatne, gdy płytka drukowana i konstrukcja mechaniczna uwzględniają styl montażu i wymagania dotyczące odstępu między elementami.

Nie zakładaj, że każda antena helikalna jest elektrycznie lub mechanicznie zamienna z inną. Wersja przewlekana i wersja do montażu powierzchniowego mogą mieć różne wymiary, wymagania instalacyjne i parametry w danym urządzeniu. Przed modyfikacją płytki PCB sprawdź dokładny numer części i jej rysunek producenta.

Zewnętrzne anteny biczowe i gumowe

Antena zewnętrzna może być przydatna, gdy obudowa pozwala na umieszczenie anteny z dala od głównych źródeł przestrajania RF. Takie rozwiązanie może być odpowiednie dla bram, urządzeń monitorujących i urządzeń, w których dopuszczalny jest większy profil anteny.

Sprawdź częstotliwość znamionową anteny, impedancję, parametry wzmocnienia, polaryzację, interfejs montażowy oraz układ kabla lub zasilania, jeśli ma to zastosowanie. Ostateczną instalację należy również ocenić pod kątem trwałości mechanicznej i wydajności RF w przewidywanym środowisku pracy.

3. Zastosuj zasady długości fali i płaszczyzny uziemienia

Długość fali stanowi użyteczny punkt wyjścia do zrozumienia wymiarów anteny. Sama w sobie nie determinuje ostatecznego rozmiaru praktycznej anteny, ponieważ obciążenie, geometria cewki, materiały dielektryczne, pobliskie przewodniki i układ dopasowania wpływają na projekt.

Oblicz długość fali przy częstotliwości 868 MHz

Do wstępnego oszacowania użyj następującego wzoru:

Długość fali (λ) w metrach ≈ 300 ÷ Częstotliwość (MHz)

Przy 868 MHz:

• Długość fali: λ ≈ 300 ÷ 868 ≈ 0.346 m, czyli około 346 mm.
• Jedna czwarta długości fali: λ/4 ≈ 86.4 mm.

Wynik ćwierćfalowy stanowi teoretyczne odniesienie dla prostego monopolu w wolnej przestrzeni. Praktyczna antena może być fizycznie krótsza lub w inny sposób skonfigurowana poprzez obciążenie i dostrojenie. Jej efektywna długość elektryczna i wydajność zależą od konstrukcji i instalacji anteny.

Dlaczego płaszczyzna gruntu ma znaczenie

Antena monopolowa działa w powiązaniu ze swoją strukturą uziemienia. Płaszczyzna uziemienia płytki PCB, sposób montażu i pobliskie elementy przewodzące wpływają na rozkład prądu i charakterystykę promieniowania. Płaszczyzna uziemienia różniąca się od konfiguracji referencyjnej producenta może zmienić dopasowanie impedancji i uzyskaną wydajność.

Na przykład, w dokumentacji anteny TE Connectivity ANT-868-HETH podano, że płaszczyzna uziemienia ma wymiary 38 × 84 mm. Należy to traktować jako konfigurację referencyjną do oceny, a nie jako uniwersalny wymóg dotyczący rozmiaru płytki PCB dla każdej anteny 868 MHz.

Podczas projektowania płytki PCB należy wziąć pod uwagę następujące praktyczne kroki:

1. Postępuj zgodnie z zaleceniami producenta anteny dotyczącymi rodzaju terenu, połączenia uziemiającego i obszaru wyłączonego z użytkowania.
2. Trzymaj przedmioty przewodzące prąd i wrażliwe elementy z dala od części promieniującej, jeśli wymagają tego wytyczne projektowe.
3. Umieść przewód antenowy i sieć dopasowującą zgodnie z zalecanym układem RF.
4. Jeśli proces projektowania wymaga regulacji impedancji, należy uwzględnić miejsce na elementy dostrajające.
5. Zmierz antenę w zmontowanym produkcie, zamiast polegać wyłącznie na obliczeniach lub symulacji na gołej płytce PCB.

Bardziej szczegółowe informacje na temat projektowania można znaleźć w dokumencie RF Antenna Design: A Practical Guide for Intermediate Engineers.

Dopasowanie i pomiar

Specyfikacja impedancji 50 Ω jest użytecznym punktem odniesienia dla interfejsu, ale nie gwarantuje, że antena będzie miała obciążenie 50 Ω po zainstalowaniu w produkcie finalnym. Antena i płytka PCB razem tworzą system RF.

Użyj wektorowego analizatora sieci (VNA) do oceny dopasowania sygnału wejściowego w wymaganym paśmie operacyjnym. Pomiary współczynnika S11 i współczynnika SWR mogą pomóc w identyfikacji przesunięć rezonansowych i problemów z dopasowaniem. W miarę możliwości należy również ocenić całkowitą wydajność promieniowania, charakterystyki promieniowania i wydajność komunikacji bezprzewodowej.

Sam dobry wynik S11 nie gwarantuje wysokiej wydajności promieniowania ani oczekiwanego zasięgu komunikacji. Na rzeczywiste wyniki wpływają straty przewodzenia, straty dielektryczne, wpływ obudowy, orientacja anteny i otoczenie odbiornika.

4. Porównać Kinghelm Produkty 868 MHz z TE ANT-868-HETH

Porównując produkty, należy rozróżnić specyfikacje elektryczne i zgodność mechaniczną. Kompaktowa antena montowana na płytce drukowanej, zewnętrzna antena gumowa oraz antena monopolowa helikalna z otworami przelotowymi – wszystkie te rozwiązania można rozważyć w przypadku projektów Sub-GHz, ale spełniają one różne wymagania dotyczące integracji.

Przedstawiciel Kinghelm Produkty

Ważne: Powyższe wartości to specyfikacje produktu podane przez producenta, a nie kontrolowane porównanie wydajności w tych samych warunkach. Wartości wzmocnienia nie powinny być interpretowane jako bezpośrednio równoważne, chyba że definicje pomiarów i warunki testowe są porównywalne. Finalny projekt musi zostać oceniony w docelowej płytce drukowanej, obudowie i środowisku instalacji.

Jak interpretować porównanie

KH-10032-A83 to kompaktowa antena do montażu na płytce drukowanej, o częstotliwości centralnej 868 MHz i szerokości pasma 10 MHz. Warto rozważyć jej zakup, jeśli projekt priorytetowo traktuje małą powierzchnię zajmowaną przez antenę, biorąc pod uwagę wymagane pasmo pracy i zalecenia producenta dotyczące rozmieszczenia anteny.

Antena KH-(868)-J505-JB jest oznaczona jako antena gumowa o częstotliwości nominalnej 868 MHz, impedancji 50 Ω i wzmocnieniu 2.0 dBi. Reprezentuje ona inne podejście do integracji niż antena ceramiczna montowana na płytce drukowanej i może być brana pod uwagę, gdy konstrukcja mechaniczna produktu umożliwia montaż anteny zewnętrznej lub oddzielnie montowanej.

TE ANT-868-HETH to przelotowy, helikalny monopol, przeznaczony do pracy w paśmie częstotliwości 862–870 MHz. Sposób montażu i parametry elektryczne należy ocenić pod kątem rzeczywistych wymagań produktu docelowego.

Te Kinghelm Produkty nie powinny być opisywane jako bezpośrednie zamienniki modułu TE ANT-868-HETH bez weryfikacji. Różnice w montażu, interakcji z płaszczyzną uziemienia, dopasowaniu, odstępach mechanicznych i parametrach RF mogą wymagać zmian w płytce drukowanej lub obudowie. Przed zatwierdzeniem produktu do produkcji należy sprawdzić dokładne wymiary, interfejs i dokumentację zgodności.

5. Sprawdź wydajność RF w urządzeniu końcowym

Nawet prawidłowo zaprojektowana antena może zachowywać się inaczej po integracji. Metalowa obudowa, bateria, wyświetlacz, kabel, uchwyt montażowy lub pobliski obwód mogą zmieniać impedancję i charakterystykę promieniowania anteny. Z tego powodu walidacja anteny powinna być częścią procesu rozwoju produktu, a nie ostateczną kontrolą dostaw.

Zalecana lista kontrolna walidacji

• Zakres częstotliwości: Sprawdź, czy antena obejmuje wszystkie wymagane kanały i właściwe pasmo regionalne.
• Dopasowania impedancji: Zmierz S11 lub VSWR w zakresie roboczym, używając odpowiedniego sprzętu pomiarowego RF.
• Wydajność radiacyjna: Oceniaj parametry promieniowania w reprezentatywnym zmontowanym urządzeniu, jeśli pozwalają na to zasoby testowe.
• Orientacja: Oceń zamierzoną orientację anteny i oczekiwaną pozycję produktu podczas użytkowania.
• Efekty płaszczyzny uziemienia: Porównaj ostateczny układ PCB z konfiguracją zalecaną lub referencyjną przez producenta.
• Efekty ogrodzenia: Przeprowadź test z zamontowaną obudową, baterią, wyświetlaczem i głównymi elementami przewodzącymi.
• Wydajność komunikacji: Przetestuj rzeczywiste łącze radiowe w reprezentatywnych warunkach pracy, zamiast opierać się wyłącznie na wzmocnieniu anteny.
• Przydatność środowiskowa: Sprawdź, czy wymagania dotyczące temperatury, wilgotności, wibracji i parametrów mechanicznych są zgodne z dokumentacją produktu.
• Zgodność z przepisami: Potwierdź, że gotowe urządzenie spełnia odpowiednie wymagania radiowe i produktowe na swoim rynku docelowym.

W przypadku, gdy produkt jest przeznaczony do zastosowań w sieci LoRaWAN lub innych aplikacjach bezprzewodowych dalekiego zasięgu, testy powinny odzwierciedlać rzeczywiste środowisko wdrożenia. Wysokość instalacji, orientacja anteny, przeszkody, zakłócenia i antena odbiorcza mogą wpływać na wydajność łącza.

W przypadku projektów montowanych na płytkach PCB należy pozostawić wystarczająco dużo miejsca na regulację sieci dopasowującej, jeśli wstępne pomiary częstotliwości radiowej wykażą konieczność dostrojenia. Wszelkie zmiany w komponentach należy udokumentować i zweryfikować na sprzęcie reprezentatywnym dla produkcji.

6. Podejmij świadomą decyzję dotyczącą projektu i zaopatrzenia w urządzenia Sub-GHz

Praktyczny wybór anteny Sub-GHz rozpoczyna się od docelowego pasma częstotliwości i jest kontynuowany przez integrację mechaniczną, walidację RF i przegląd źródeł. Najmniejsza antena niekoniecznie jest najlepszym wyborem, a wyższy opublikowany zysk nie gwarantuje lepszej wydajności w każdym produkcie.

W przypadku kompaktowego urządzenia antena montowana na płytce drukowanej, taka jak KH-10032-A83, może być kandydatem do oceny, jeśli jej zakres częstotliwości i wymagania dotyczące układu odpowiadają projektowi. Jeśli antena montowana oddzielnie jest bardziej odpowiednia, KH-(868)-J505-JB oferuje kolejny współczynnik kształtu do oceny. W przypadku projektów wymagających monopolu helikalnego z otworami przelotowymi, antena TE ANT-868-HETH stanowi udokumentowany przez producenta punkt odniesienia do oceny takiej konfiguracji.

Przed sfinalizowaniem zestawienia materiałów należy potwierdzić dokładny model, pasmo robocze, rysunek techniczny, impedancję, warunki pomiaru wzmocnienia, interfejs montażowy oraz odpowiednie informacje dotyczące zgodności. W przypadku wymiany istniejącej anteny, należy przetestować zarówno dopasowanie mechaniczne, jak i parametry RF w rzeczywistym urządzeniu, zamiast polegać wyłącznie na częstotliwości nominalnej.

KinghelmOferta anten firmy obejmuje produkty spełniające różne wymagania dotyczące integracji bezprzewodowej. Inżynierowie i zespoły zakupowe mogą zapoznać się z opublikowanymi specyfikacjami produktów i potwierdzić ich przydatność do planowanego zastosowania przed wyborem części do produkcji.

Aby uzyskać więcej wskazówek dotyczących integracji anten, przeczytaj artykuł „Jak wybrać antenę Bluetooth? Od anteny typu patch do anteny ceramicznej” . Chociaż artykuł koncentruje się na technologii Bluetooth, zawiera on dodatkowy kontekst dotyczący dopasowania struktury anteny do dostępnej przestrzeni produktu i ograniczeń integracyjnych.

Referencje

1. Łączność TE, Strona produktu ANT-868-HETH.
2. Łączność TE, Katalog anten.
3. Kinghelm, Wykazy produktów antenowych.
4. Kinghelm, Wykazy produktów anten gumowych.
5. Kinghelm, Projektowanie anten RF: praktyczny przewodnik dla inżynierów średnio zaawansowanych.
6. Kinghelm, Antena typu patch, chip czy płytka PCB dla urządzeń BLE Wearables.
7. Kinghelm, Jak wybrać antenę Bluetooth? Od naszywki po antenę ceramiczną.