Lựa chọn ăng-ten 868 MHz: Thiết kế ăng-ten xoắn ốc, ăng-ten roi và ăng-ten dưới GHz gắn trên mạch in.

Việc lựa chọn ăng-ten cho thiết bị không dây 868 MHz không chỉ đơn thuần là khớp với tần số hoạt động danh nghĩa. Các kỹ sư cũng phải xem xét kế hoạch tần số khu vực, mặt phẳng tiếp đất khả dụng, phương pháp lắp đặt, vật liệu vỏ bọc, kiểu bức xạ và hiệu suất RF cần thiết cho ứng dụng. Những yếu tố này đặc biệt quan trọng đối với LoRaWAN, LPWAN, giám sát từ xa, đo lường thông minh và các hệ thống không dây dưới GHz khác.

Hướng dẫn này giải thích cách đánh giá các loại ăng-ten gắn trên PCB, ăng-ten đơn cực xoắn ốc và ăng-ten kiểu roi ngoài cho các ứng dụng 868 MHz. Nó cũng giới thiệu các phép tính bước sóng và mặt phẳng tiếp đất thực tế, so sánh các loại ăng-ten tiêu biểu. Kinghelm Bài viết này giới thiệu các sản phẩm sử dụng chip TE Connectivity ANT-868-HETH và nêu rõ các bước kiểm định tần số vô tuyến cần thiết trước khi đưa vào sản xuất.

1. Xác nhận dải tần hoạt động và các yêu cầu ứng dụng

Trước khi chọn ăng-ten, hãy xác nhận dải tần số thực tế mà thiết bị sử dụng và các quy định áp dụng tại thị trường mục tiêu. Các thuật ngữ 433 MHz, 470 MHz, 868 MHz và 915 MHz mô tả các dải tần số dưới GHz thường được sử dụng, nhưng chúng không thể thay thế cho nhau. Phân bổ theo khu vực, công suất phát cho phép, hạn chế về chu kỳ hoạt động và kế hoạch kênh truyền có thể khác nhau.

Không nên tự động cho rằng một ăng-ten được thiết kế cho tần số 868 MHz sẽ hoạt động tốt trên toàn dải tần 915 MHz. Ngay cả khi hai sản phẩm trông tương tự nhau, tần số cộng hưởng, mạch phối hợp và đặc tính bức xạ của chúng vẫn có thể khác nhau đáng kể.

Đối với thiết kế mới, hãy ghi lại các yêu cầu sau trước khi lựa chọn các ứng viên ăng-ten:

• Tần số hoạt động: Hãy chỉ định dải tần số thực tế thay vì chỉ tần số trung tâm danh nghĩa.
• Công nghệ vô tuyến: Xác định xem ứng dụng có sử dụng LoRaWAN, giao thức LPWAN khác, dữ liệu đo từ xa hay liên kết Sub-GHz độc quyền hay không.
• Không gian có sẵn: Ghi lại kích thước mạch in (PCB), diện tích khu vực cần xử lý, kích thước vỏ hộp và chiều cao ăng-ten cho phép.
• Phương pháp lắp: Hãy quyết định xem thiết kế đó yêu cầu linh kiện gắn trên mạch in, ăng-ten xuyên lỗ hay ăng-ten ngoài.
• Các mục tiêu RF: Xác định các tiêu chí về trở kháng phù hợp, hiệu suất, phạm vi phủ sóng và tầm liên lạc.
• Những yêu cầu về môi trường: Cần xem xét nhiệt độ, độ ẩm, độ rung và môi trường lắp đặt dự kiến.

Ăng-ten nhỏ gọn có thể đơn giản hóa việc tích hợp cơ khí, nhưng kích thước không phải là yếu tố duy nhất quyết định hiệu suất hệ thống. Ăng-ten phải hoạt động tốt với toàn bộ thiết bị, bao gồm mặt phẳng tiếp đất, vỏ bọc, pin, cáp và các linh kiện điện tử lân cận.

2. So sánh các cấu hình anten gắn trên mạch in, anten xoắn ốc và anten ngoài.

Các cấu trúc anten khác nhau đáp ứng các ràng buộc về cơ khí và tần số vô tuyến khác nhau. Anten gốm gắn trên mạch in có thể giúp tiết kiệm không gian, trong khi anten đơn cực xoắn ốc cung cấp một giải pháp nhỏ gọn cho bộ bức xạ đơn cực. Anten roi hoặc anten cao su gắn ngoài có thể di chuyển phần tử bức xạ ra xa một số linh kiện điện tử và có thể mang lại sự linh hoạt hơn trong việc định vị.

Ăng-ten gắn trên PCB dành cho các thiết bị có không gian hạn chế.

Ăng-ten gắn trên mạch in (PCB) có thể là một lựa chọn thiết thực khi vỏ sản phẩm nhỏ và việc sử dụng phần tử bức xạ bên ngoài là không mong muốn. Tuy nhiên, độ lợi hoặc tần số trung tâm được công bố của ăng-ten không mô tả đầy đủ hiệu suất của nó sau khi lắp đặt. Bố cục mạch in, mặt phẳng tiếp đất, các linh kiện phối hợp và vật liệu xung quanh có thể làm thay đổi tần số cộng hưởng và ảnh hưởng đến hiệu suất bức xạ.

Khi đánh giá ăng-ten gắn trên mạch in, hãy tuân theo bố cục và các yêu cầu về khoảng cách an toàn do nhà sản xuất khuyến nghị. Tránh đặt pin, giá đỡ kim loại, khung màn hình, tấm chắn hoặc các cấu trúc dẫn điện khác quá gần phần tử bức xạ trừ khi thiết kế đã được đánh giá trong cấu hình đó.

Để hiểu rõ hơn về việc tích hợp ăng-ten trên mạch in (PCB), hãy xem bài viết "Ăng-ten dạng miếng dán so với dạng chip so với ăng-ten PCB cho thiết bị đeo BLE" . Mặc dù bài viết tập trung vào việc tích hợp vào thiết bị đeo, nhưng các nguyên tắc về bố cục và khoảng cách của nó cũng hữu ích khi lập kế hoạch thiết kế ăng-ten nhỏ gọn.

Các đơn cực xoắn ốc cho thiết kế nhỏ gọn dưới GHz

Ăng-ten đơn cực xoắn ốc sử dụng cấu trúc cuộn dây dẫn điện để tạo ra một thiết kế ăng-ten nhỏ gọn. Các biến thể xuyên lỗ có thể hữu ích khi thiết kế mạch in và thiết kế cơ khí phù hợp với kiểu lắp đặt và yêu cầu về khoảng cách của linh kiện.

Không nên cho rằng mọi ăng-ten xoắn ốc đều có thể thay thế cho nhau về mặt điện hoặc cơ khí. Phiên bản xuyên lỗ và phiên bản gắn trên bề mặt có thể có kích thước, yêu cầu lắp đặt và hiệu suất khác nhau trong cùng một thiết bị. Hãy xác nhận chính xác số hiệu linh kiện và bản vẽ của nhà sản xuất trước khi sửa đổi mạch in.

Ăng-ten roi và ăng-ten cao su bên ngoài

Ăng-ten ngoài có thể hữu ích khi vỏ thiết bị cho phép đặt ăng-ten cách xa các nguồn gây nhiễu tần số vô tuyến chính. Cách bố trí này có thể phù hợp với các thiết bị cổng kết nối, thiết bị giám sát và các thiết bị mà kích thước ăng-ten lớn hơn được chấp nhận.

Kiểm tra tần số định mức, trở kháng, thông số độ lợi, phân cực, giao diện lắp đặt và cách bố trí cáp hoặc bộ cấp nguồn của anten (nếu có). Việc lắp đặt cuối cùng cũng cần được đánh giá về độ bền cơ học và hiệu suất RF trong môi trường hoạt động dự kiến.

3. Áp dụng nguyên lý bước sóng và mặt phẳng tiếp đất

Bước sóng là điểm khởi đầu hữu ích để hiểu về kích thước anten. Tuy nhiên, bản thân nó không quyết định kích thước vật lý cuối cùng của một anten thực tế, bởi vì tải, hình dạng cuộn dây, vật liệu điện môi, các dây dẫn lân cận và mạch phối hợp trở kháng đều ảnh hưởng đến thiết kế.

Tính bước sóng ở tần số 868 MHz

Để ước tính ban đầu, hãy sử dụng công thức sau:

Bước sóng (λ) tính bằng mét ≈ 300 ÷ Tần số (MHz)

Ở tần số 868 MHz:

• Bước sóng: λ ≈ 300 ÷ 868 ≈ 0.346 m, hay xấp xỉ 346 mm.
• Một phần tư bước sóng: λ/4 ≈ 86.4 mm.

Kết quả ở bước sóng một phần tư là giá trị tham khảo lý thuyết cho một ăng-ten đơn cực đơn giản trong không gian tự do. Một ăng-ten thực tế có thể ngắn hơn về mặt vật lý hoặc được cấu hình khác thông qua việc tải và điều chỉnh. Chiều dài điện hiệu dụng và hiệu suất của nó phụ thuộc vào cấu trúc và cách lắp đặt ăng-ten.

Tại sao mặt phẳng tiếp đất lại quan trọng

Ăng-ten đơn cực hoạt động cùng với cấu trúc tiếp đất của nó. Mặt phẳng tiếp đất trên mạch in, cách bố trí lắp đặt và các linh kiện dẫn điện lân cận ảnh hưởng đến sự phân bố dòng điện và kiểu bức xạ. Một mặt phẳng tiếp đất khác với cấu hình tham chiếu của nhà sản xuất có thể làm thay đổi sự phù hợp trở kháng và hiệu suất thực tế.

Ví dụ, thông tin sản phẩm TE Connectivity ANT-868-HETH xác định kích thước mặt phẳng tiếp đất tham chiếu là 38 × 84 mm trong tài liệu về ăng-ten của họ. Điều này nên được coi là cấu hình tham khảo để đánh giá, chứ không phải là yêu cầu kích thước PCB chung cho mọi ăng-ten 868 MHz.

Khi thiết kế mạch in (PCB), hãy xem xét các bước thực tế sau:

1. Hãy tuân theo hướng dẫn của nhà sản xuất ăng-ten về sơ đồ lắp đặt, kết nối tiếp đất và khu vực cấm.
2. Theo hướng dẫn thiết kế, cần giữ các vật dẫn điện và các linh kiện nhạy cảm tránh xa khu vực phát xạ.
3. Hãy bố trí đường cấp nguồn anten và mạch phối hợp trở kháng theo sơ đồ bố trí RF được khuyến nghị.
4. Hãy chừa chỗ cho các linh kiện điều chỉnh nếu quá trình thiết kế yêu cầu điều chỉnh trở kháng.
5. Hãy đo kích thước ăng-ten trong sản phẩm đã lắp ráp, thay vì chỉ dựa vào các phép tính hoặc mô phỏng trên mạch in trần.

Để biết thêm chi tiết về các yếu tố thiết kế, hãy xem cuốn "Thiết kế ăng-ten RF: Hướng dẫn thực hành dành cho kỹ sư trung cấp".

Ghép nối và Đo lường

Thông số trở kháng 50 Ω là một tham chiếu giao diện hữu ích, nhưng nó không đảm bảo rằng anten sẽ tạo ra tải 50 Ω khi được lắp đặt trong sản phẩm cuối cùng. Anten và mạch in (PCB) cùng nhau tạo thành hệ thống RF.

Sử dụng máy phân tích mạng vector (VNA) để đánh giá sự phù hợp trở kháng đầu vào trên dải tần hoạt động yêu cầu. Các phép đo S11 và VSWR có thể giúp xác định sự dịch chuyển cộng hưởng và các vấn đề về phối hợp trở kháng. Nếu khả thi, cũng cần đánh giá hiệu suất bức xạ tổng thể, mô hình bức xạ và hiệu suất truyền thông không dây.

Chỉ số S11 tốt thôi chưa đủ để đảm bảo hiệu suất bức xạ cao hoặc phạm vi liên lạc như mong đợi. Tổn thất dẫn điện, tổn thất điện môi, hiệu ứng vỏ bọc, hướng đặt anten và môi trường thu đều ảnh hưởng đến kết quả thực tế.

4. So sánh Kinghelm Các sản phẩm 868 MHz với ăng-ten TE ANT-868-HETH

Khi so sánh các sản phẩm, cần phân biệt giữa thông số kỹ thuật điện và khả năng tương thích cơ khí. Ăng-ten gắn trên PCB nhỏ gọn, ăng-ten cao su ngoài và ăng-ten đơn cực xoắn ốc xuyên lỗ đều có thể được xem xét cho các thiết kế dưới GHz, nhưng chúng phục vụ các yêu cầu tích hợp khác nhau.

Đại diện Kinghelm Sản phẩm

Quan trọng: Các giá trị nêu trên là thông số kỹ thuật sản phẩm do nhà sản xuất công bố, không phải là kết quả so sánh hiệu năng trong điều kiện được kiểm soát. Không nên hiểu các số liệu về độ khuếch đại là tương đương trực tiếp trừ khi định nghĩa phép đo và điều kiện thử nghiệm là tương đương. Thiết kế cuối cùng phải được đánh giá trong môi trường PCB, vỏ hộp và lắp đặt dự kiến.

Cách diễn giải sự so sánh

KH-10032-A83 là một lựa chọn nhỏ gọn, gắn trên mạch in, với tần số trung tâm 868 MHz và băng thông 10 MHz. Nó có thể đáng để xem xét khi thiết kế ưu tiên kích thước anten nhỏ gọn, tùy thuộc vào dải tần hoạt động yêu cầu và hướng dẫn bố trí mạch của nhà sản xuất.

KH-(868)-J505-JB được liệt kê là một ăng-ten cao su với tần số danh nghĩa 868 MHz, trở kháng 50 Ω và độ lợi 2.0 dBi. Nó thể hiện một cách tiếp cận tích hợp khác so với ăng-ten gốm gắn trên PCB và có thể được xem xét khi thiết kế cơ khí của sản phẩm cho phép gắn ăng-ten bên ngoài hoặc riêng biệt.

Ăng-ten TE ANT-868-HETH là loại ăng-ten đơn cực xoắn ốc xuyên lỗ, hoạt động trong dải tần 862–870 MHz theo thông số nhà sản xuất. Kiểu lắp đặt và đặc tính điện của nó cần được đánh giá dựa trên các yêu cầu thực tế của sản phẩm mục tiêu.

Kia là Kinghelm Không nên mô tả sản phẩm là sản phẩm thay thế trực tiếp cho TE ANT-868-HETH mà không có sự xác minh. Sự khác biệt về cách lắp đặt, tương tác mặt phẳng tiếp đất, phối hợp trở kháng, khoảng cách cơ học và hiệu suất RF có thể yêu cầu thay đổi mạch in hoặc vỏ thiết bị. Hãy xác nhận kích thước chính xác, giao diện và tài liệu tuân thủ cho sản phẩm đã chọn trước khi phê duyệt sản xuất.

5. Kiểm tra tính hợp lệ của hiệu năng RF trong thiết bị cuối cùng

Ngay cả một ăng-ten được thiết kế đúng cách cũng có thể hoạt động khác đi sau khi tích hợp. Vỏ kim loại, pin, màn hình, cáp, giá đỡ hoặc mạch điện gần đó có thể làm thay đổi trở kháng và đặc tính bức xạ của ăng-ten. Vì lý do này, việc kiểm định ăng-ten nên là một phần của quy trình phát triển sản phẩm chứ không phải là khâu kiểm tra cuối cùng trước khi mua hàng.

Danh sách kiểm tra xác thực được đề xuất

• Tần số bảo hiểm: Hãy đảm bảo rằng ăng-ten bao phủ tất cả các kênh cần thiết và dải tần khu vực áp dụng.
• Trở kháng phù hợp: Đo S11 hoặc VSWR trên toàn dải tần hoạt động bằng cách sử dụng thiết lập kiểm tra RF phù hợp.
• Hiệu suất bức xạ: Đánh giá hiệu suất bức xạ trong một thiết bị lắp ráp mẫu khi có đủ nguồn lực thử nghiệm.
• Sự định hướng: Đánh giá hướng lắp đặt ăng-ten dự kiến ​​và vị trí mong muốn của sản phẩm trong quá trình sử dụng.
• Hiệu ứng mặt phẳng tiếp đất: So sánh bố cục mạch in cuối cùng với cấu hình tham khảo hoặc khuyến nghị của nhà sản xuất.
• Hiệu ứng bao quanh: Thử nghiệm với vỏ máy hoàn chỉnh, pin, màn hình và các bộ phận dẫn điện chính đã được lắp đặt.
• Hiệu suất giao tiếp: Hãy kiểm tra liên kết vô tuyến thực tế trong điều kiện hoạt động điển hình thay vì chỉ dựa vào độ lợi anten.
• Phù hợp với môi trường: Kiểm tra các yêu cầu về nhiệt độ, độ ẩm, độ rung và cơ học so với tài liệu sản phẩm.
• Tuân thủ quy định: Xác nhận rằng thiết bị hoàn chỉnh đáp ứng các yêu cầu về tần số vô tuyến và sản phẩm liên quan đến thị trường mục tiêu.

Đối với các sản phẩm được thiết kế cho LoRaWAN hoặc các ứng dụng không dây tầm xa khác, việc thử nghiệm cần phản ánh môi trường triển khai thực tế. Chiều cao lắp đặt, hướng anten, vật cản, nhiễu và anten thu đều có thể ảnh hưởng đến hiệu suất liên kết.

Đối với các thiết kế gắn trên PCB, hãy chừa đủ khoảng trống để điều chỉnh mạch phối hợp nếu các phép đo RF ban đầu cho thấy cần phải điều chỉnh. Mọi thay đổi về linh kiện cần được ghi lại và kiểm chứng trên phần cứng đại diện cho sản phẩm thực tế.

6. Đưa ra quyết định thiết kế và tìm nguồn cung ứng dưới GHz dựa trên thông tin đầy đủ

Việc lựa chọn ăng-ten Sub-GHz thực tế bắt đầu từ dải tần mục tiêu và tiếp tục qua quá trình tích hợp cơ khí, kiểm định RF và xem xét nguồn cung cấp. Ăng-ten nhỏ nhất không nhất thiết là lựa chọn tốt nhất, và thông số độ lợi được công bố cao hơn không đảm bảo hiệu suất tốt hơn trong mọi sản phẩm.

Đối với thiết bị nhỏ gọn, ăng-ten gắn trên PCB như KH-10032-A83 có thể là một lựa chọn để đánh giá khi dải tần số và yêu cầu bố trí được liệt kê phù hợp với thiết kế. Khi ăng-ten gắn riêng biệt phù hợp hơn, KH-(868)-J505-JB cung cấp một dạng khác để đánh giá. Đối với các thiết kế yêu cầu ăng-ten đơn cực xoắn ốc xuyên lỗ, TE ANT-868-HETH cung cấp tài liệu tham khảo do nhà sản xuất lập để đánh giá cấu hình đó.

Trước khi hoàn thiện danh sách linh kiện, hãy xác nhận chính xác kiểu máy, dải tần hoạt động, bản vẽ cơ khí, trở kháng, điều kiện đo độ lợi, giao diện lắp đặt và thông tin tuân thủ áp dụng. Nếu thay thế ăng-ten hiện có, hãy kiểm tra cả độ khớp cơ khí và hiệu suất RF trên thiết bị thực tế thay vì chỉ dựa vào tần số danh nghĩa.

KinghelmDanh mục sản phẩm anten của công ty bao gồm các sản phẩm đáp ứng nhiều yêu cầu tích hợp không dây khác nhau. Các kỹ sư và đội ngũ mua hàng có thể xem xét các thông số kỹ thuật sản phẩm đã công bố và xác nhận tính phù hợp với ứng dụng dự định của họ trước khi lựa chọn linh kiện để sản xuất.

Để được hướng dẫn thêm về tích hợp anten, hãy đọc bài viết " Cách chọn anten Bluetooth? Từ anten dạng miếng dán đến anten gốm" . Mặc dù trọng tâm là Bluetooth, bài viết này cung cấp thêm thông tin về việc lựa chọn cấu trúc anten phù hợp với không gian sản phẩm và các hạn chế tích hợp.

dự án

1. Kết nối TE, Trang sản phẩm ANT-868-HETH.
2. Kết nối TE, Danh mục ăng-ten.
3. Kinghelm, Danh sách sản phẩm ăng-ten.
4. Kinghelm, Danh sách sản phẩm ăng-ten cao su.
5. Kinghelm, Thiết kế Anten RF: Hướng dẫn thực hành dành cho kỹ sư trình độ trung cấp.
6. Kinghelm, Ăng-ten dạng miếng dán, dạng chip và dạng mạch in cho thiết bị đeo BLE.
7. Kinghelm, Cách chọn ăng-ten Bluetooth? Từ dạng miếng dán đến dạng gốm..