Hoe breedbandantennes voor zowel legacy als 5G draadloze IoT-netwerken worden gebruikt

Op 5G gebaseerde draadloze verbindingen zijn bedoeld voor zowel uiterst zichtbare smartphones als diverse ingebedde toepassingen, zoals het Internet of Things (IoT), MTM-verbindingen (machine-to-machine), het slimme elektriciteitsnet (smart grids), verkoopautomaten, gateways, routers, beveiliging en connectiviteit voor bewaking op afstand. Deze overschakeling op 5G gebeurt echter niet van de ene op de andere dag. Hierdoor ontstaat een behoefte aan antennes aan de front-end van de draadloze communicatieverbinding die geschikt zijn voor 5G, maar ook voor legacy 2G-, 3G- en andere niet-5G-aansluitingen die nog jarenlang zullen blijven bestaan, zelfs als 5G snel toeneemt.

Daarom moeten engineers producten ontwerpen voor banden die naast 5G ook andere standaarden ondersteunen. Zelfs als het interne RF-front-end of de vermogensversterker voor elke band anders is, zijn er voordelen aan het gebruik van één breedbandantenne voor zowel legacy als 5G-banden.

In dit artikel wordt aan de hand van producten van Abracon LLC gekeken naar breedbandantennes die geschikt zijn voor zowel het lagere band 5G-spectrum als de legacy banden. We laten zien hoe het gebruik van dit type antenne—als zichtbare externe of als interne ingebouwde unit—het ontwerp kan versnellen, de stuklijst (BOM) kan vereenvoudigen en een eventuele upgrade naar 5G kan vergemakkelijken.

Begin met reglementaire banden

Antennes zijn het laatste element in een RF-zendsignaaltraject en het eerste in het bijbehorende ontvangerstraject. De antenne functioneert als een omvormer tussen de elektrische schakelingen en de uitgestraalde RF-energie en elektromagnetische velden.

Bij de keuze van een antenne voor de beoogde toepassing mag men niet vergeten dat de antenne geen rekening houdt met het soort modulatie of de industriestandaard waarvoor hij wordt gebruikt. Geen van de parameters voor de antennekeuze—zoals centerfrequentie, bandbreedte, versterking, vermogen of fysieke afmetingen—is afhankelijk van de vraag of de antenne wordt gebruikt voor amplitude-, frequentie- of fasemodulatiesignalen (AM, FM, PM), voor 3G, 4G, 5G of zelfs voor propriëtaire signaalformaten.

Uiteraard krijgen systeemontwerpen voor de nieuwste toepassingen die 5G-standaarden ondersteunen veel ontwerpaandacht, vooral voor 5G-banden onder 6 gigahertz (GHz) waar de meeste 5G-activiteit plaatsvindt. Het is belangrijk om onderscheid te maken tussen de wireless-standaard die het systeem ondersteunt, en de frequentie en het spectrum die worden gebruikt en die bepalend zijn voor de antennekeuze.

De nieuwe 5G-standaarden maken gebruik van spectrumsegmenten die voorheen niet beschikbaar waren, terwijl ook gebruik wordt gemaakt van delen van het spectrum die al in gebruik zijn door modulatieschema's op een hoger niveau te integreren voor een hogere doorvoer. Hoewel ondersteuning door de industrie en carriers voor een bestaande standaard, zoals 3G, in 2022 wordt uitgefaseerd (oftewel ‘sunsetted’), zullen sommige delen van het door 3G gebruikte spectrum nog steeds worden gebruikt voor 4G en zelfs voor 5G (Afbeelding 1).

Afbeelding 1: De frequenties tussen 600 en 6000 MHz ondersteunen meerdere standaarden, zoals 3G, 4G en 5G, met enige overlapping van het spectrum. (Bron afbeelding: Abracon LLC)

Dit betekent dat antennes die 3G- of 4G-banden ondersteunen nog steeds bruikbaar kunnen zijn voor 5G, en andersom. De standaard wordt dan wellicht uitgefaseerd, maar de antenne niet en voorwaartse/achterwaartse antennecompatibiliteit is mogelijk. In elk van deze gevallen is hergebruik van antennes die meerdere standaarden en banden ondersteunen een praktische en vaak wenselijke oplossing.

Andere belangrijke standaarden in het RF-spectrum van 600 megahertz (MHz) tot 6 GHz zijn:

• Citizens Broadband Radio Service (CBRS), een licht gereguleerd 150 MHz breed segment in het bereik van 3550 MHz tot 3700 MHz (3,5 GHz tot 3,7 GHz). In de Verenigde Staten heeft de Federal Communications Commission (FCC) deze dienst aangewezen voor medegebruik door drie categorieën gebruikers: gevestigde gebruikers, gebruikers met een prioritaire toegangsvergunning (priority access license of PAL) en gebruikers met een algemene toegangsvergunning (general authorized access of GAA).
• LTE-M, de afkorting voor LTE Cat-M1 (vaak CAT M genoemd) of Long-Term Evolution (4G), categorie M1. Deze technologie stelt low-duty-cycle IoT-apparaten die op batterijen werken in staat om direct verbinding te maken met een 4G-netwerk zonder een gateway.
• Smalband-IoT (NB-IoT) is een draadloze technologie op cellulair niveau die gebruik maakt van orthogonale frequentiedelingsmultiplexing (OFDM) binnen de overkoepelende 3G-standaard. Het is een initiatief van het Third Generation Partnership Project (3GPP)—de organisatie achter de standaardisatie van cellulaire systemen—om tegemoet te komen aan de behoeften van apparaten met zeer lage datasnelheid die verbinding moeten maken met mobiele netwerken, die ook vaak door batterijen worden gevoed.

Hier volgt een korte uitleg over breedband en multiband, aangezien er verwarring kan ontstaan: ‘breedband’ verwijst naar een antenne met een bandbreedte die een aanzienlijk deel van de middenfrequentie bedraagt. Hoewel er geen formele definitie bestaat, wordt doorgaans een bandbreedte bedoeld van ten minste 20 tot 30 procent van de middenfrequentie. Daarentegen is een ‘multibandantenne’ een antenne die is ontworpen om twee of meer banden te ondersteunen, zoals gedefinieerd door regelgevingsnormen; deze banden kunnen zowel dicht bij elkaar als ver uit elkaar liggen.

Een extreem voorbeeld van een multibandantenne is een antenne die tegelijkertijd voor AM-uitzendingen (550 tot 1550 kilohertz (kHz)) en voor FM-uitzendingen (88 tot 108 MHz) werkt. Een multibandantenne kan breedbandig zijn, maar dat is niet noodzakelijk.

Ongeacht het aantal, de onderlinge afstand en de bandbreedtes die worden ondersteund, heeft een multibandantenne één RF-aansluiting, ook al kan deze intern uit twee of meer afzonderlijke gecombineerde antennes bestaan. In tegenstelling tot een eenvoudigere breedbandantenne kan een multibandantenne worden ontworpen met opzettelijke hiaten in de versterkingsdekking over de gehele bandbreedte om interferentie met andere kanalen tot een minimum te beperken.

Interne of externe antenne

De draadloze connectiviteitsstandaard waarvoor de antenne wordt gebruikt, is geen kwestie van antenneontwerp, maar de frequentie en bandbreedte zijn wel degelijk overwegingen voor de fysieke uitvoering van de antenne. Een belangrijke ontwerpoverweging is de vraag of een externe antenne moet worden gebruikt of een antenne die in het eindproduct is ingebouwd.

Interne antennes hebben de volgende eigenschappen:

• Ze maken een slanker pakket mogelijk zonder externe hulpstukken die kunnen breken of blijven haken.
• De ingebouwde antenne is altijd aangesloten en beschikbaar.
• Ze hebben inherente beperkingen wat betreft dekking, efficiëntie, stralingspatronen en andere prestatiecriteria.
• De prestaties van de ingebouwde antenne worden beïnvloed door de aangrenzende schakelingen, zodat de plaatsing nauw samenhangt met de afmetingen, de lay-out, de componenten en de algemene opstelling van de printplaat.
• De hand of het lichaam van de gebruiker kan veranderingen teweegbrengen in het patroon, de efficiëntie en de prestaties van de antenne.

Externe antennes bezitten daarentegen de volgende kenmerken:

• Ze bieden meer mogelijkheden voor het aanpassen van stralingspatronen, bandbreedte en versterking, aangezien ze meer ontwerpflexibiliteit hebben.
• Ze hoeven niet aan de IoT/RF-unit te worden bevestigd en kunnen met behulp van een coaxkabel op een bescheiden afstand optimaal worden geplaatst.
• Ze worden minder of helemaal niet beïnvloed door de elektrische aspecten van productontwerp en -behuizing.
• Ze zijn verkrijgbaar in verschillende stijlen en configuraties.
• Ze vereisen een connector of een kabel voor de bevestiging, wat een storingspunt kan zijn.

De keuze tussen een externe of interne antenne wordt doorgaans op grond van verschillende factoren gemaakt. Deze omvatten aan de ene kant de toepassing van het eindproduct en de voorkeur van de gebruiker, en aan de andere kant de prestaties en de vraag of de antenne in een mobiele of vaste situatie zal worden gebruikt. Een smartphone met een externe antenne zou bijvoorbeeld onhandig zijn. Daarentegen biedt een vaste, geïnstalleerde IoT-knoop met een externe en iets verder weg geplaatste antenne wellicht een betere en consistentere connectiviteit.

Voordelen van multibandantennes

Multibandantennes zijn geschikt voor bestaande toepassingen en maken ontwerpen tegelijkertijd toekomstbestendig voor upgrades, waaronder 5G-connectiviteit. Maar waarom zou je een dergelijke antenne overwegen als de installatieparameters en bijzonderheden bekend zijn? Daar zijn verschillende redenen voor:

• Eén enkele antenne kan worden gebruikt voor een hele reeks producten voor verschillende banden, wat het voorraadbeheer en de aankoop vereenvoudigt.
• Een interne multibandantenne leidt tot een kleinere pakket, terwijl een externe antenne het aantal antenneconnectoren op de productbehuizing vermindert.
• De multibandantenne kan worden gebruikt voor een IoT-apparaat waarvoor een upgrade naar een nieuwe band, zoals 5G, mogelijk of te verwachten is, hetzij om prestatieredenen, hetzij omdat de bestaande band en standaard worden uitgefaseerd.
• Een enkele externe antenne voor meerdere banden biedt conformiteit van installatietechnieken en gereedschappen.
• Voor kritieke vaste en vooral mobiele toepassingen kan het RF-gedeelte van het apparaat ondersteuning voor dual-band bieden, wat dynamisch schakelen tussen banden mogelijk maakt voor optimale prestaties op een bepaalde plaats of in een bepaalde omgeving.
• Ontwerpers kunnen één enkele interne multibandantenne gebruiken in niet-verwante apparaten en daardoor gebruikmaken van hun ervaring met antennemodellering, plaatsing en mogelijke productieproblemen.

Praktijkvoorbeelden van multibandantennes

Ondanks de breedbandprestaties zijn multibandantennes niet beperkt in vormfactor of type aansluiting, zoals geïllustreerd in de volgende drie voorbeelden.

De AEBC1101X-S is een cellulaire 5G/4G/LTE-sprietantenne met een lengte van 115 millimeter (mm) en een maximale diameter van 19 mm, ontworpen voor gebruik bij 600 MHz tot 6 GHz (Afbeelding 2). De antenne wordt geleverd met een standaard mannelijke SMA-connector die 90° kan draaien voor rechtstreekse montage op de productbehuizing (hij kan ook worden gebruikt met een verlengbare coaxkabel); een SMA-connector met omgekeerde-polariteit is ook beschikbaar.

Afbeelding 2: De AEBC1101X-S cellulaire 5G/4G/LTE-sprietantenne is ontworpen voor gebruik bij 600 MHz tot 6 GHz en is voorzien van een geïntegreerde SMA-coaxiale connector met 90° rotatie. (Bron afbeelding: Abracon LLC)

De VSWR (Voltage Standing Wave Ratio oftewel staande-golfverhouding) en de piekversterkingsprestaties van deze antenne zijn over de gehele band vrij constant, hoewel er een verschuiving in de efficiëntie is tussen het lagere en hogere frequentiebereik (Afbeelding 3).

Afbeelding 3: De AEBC1101X-S cellulaire 5G/4G/LTE-sprietantenne vertoont bescheiden verschillen in prestaties tussen het lage (600 tot 960 MHz) en hoge (1400 tot 6000 MHz) frequentiebereik. (Bron afbeelding: Abracon LLC)

Het stralingspatroon is over de gehele band vrij cirkelvormig, met enkele kleine lobben bij 3600 MHz die iets duidelijker worden bij 5600 MHz (Afbeelding 4).

Afbeelding 4: Verschil tussen het X-Y-stralingspatroon van de AEBC1101X-S bij 3600 en 5600 MHz, waar het enkele lobben vertoont. (Bron afbeelding: Abracon LLC)

De AECB1102XS-3000S 5G/4G/LTE/NB-IoT/CAT-bladantenne, eveneens voor gebruik bij 600 MHz tot 6 GHz, is 115,6 mm lang × 21,7 mm breed met een zeer dun profiel van slechts 5,8 mm (Afbeelding 5). Deze antenne kan snel en eenvoudig met plakband tegen een vlakke ondergrond worden gemonteerd.

Afbeelding 5: De AECB1102XS-3000S 5G/4G/LTE/NBIOT/CAT-bladantenne, eveneens voor 600 MHz tot 6 GHz, is een low-profile antenne die ontworpen is om gemakkelijk met behulp van plakband tegen een vlak oppervlak te worden gemonteerd. (Bron afbeelding: Abracon LLC)

De RF-prestaties zijn vergelijkbaar met die van de AEBC1101X-S met een maximale VSWR van minder dan 3,5. De piekversterking is 2 decibel en is relatief iets lager dan die van een isotrope straler (dBi). Ook is het stralingspatroon in het X-Y- en X-Z-vlak complexer (Afbeelding 6).

Afbeelding 6: De X-Z- en Y-Z-stralingspatronen van de AECB1102XS-3000S-bladantenne vertonen een complexer geheel van lobben dan die van de sprietantenne. (Bron afbeelding: Abracon LLC)

Een opmerkelijk verschil tussen de AEBC1101X-S en de AECB1102XS-3000S is de beschikbare aansluitingen. De AECB1102XS-3000S-bladantenne wordt standaard geleverd met een 1 meter (m) lange LMR-100-coaxkabel (deze vervangt de RG174- en RG316-kabeltypes), afgesloten met de veelgebruikte mannelijke SMA-connector. Andere kabellengtes kunnen worden besteld en behalve SMA zijn ook andere soorten connectors als standaardopties verkrijgbaar voor extra flexibiliteit (Afbeelding 7).

Afbeelding 7: De standaard coaxkabel voor de AECB1102XS-3000S is voorzien van een SMA (M)-connector, maar er zijn ook andere connectors verkrijgbaar. (Bron afbeelding: Abracon LLC)

De ACR4006X breedband keramische chipantenne voor 600 tot 6000 MHz wordt gebruikt voor opbouwmontage en heeft een afmeting van slechts 40 × 6 × 5 mm hoog. In bedrijf vereist deze antenne een uiterst klein spoel-condensator (LC) impedantie-aanpassend netwerk, bestaande uit een spoel van 8,2 nanohenry (nH) spoel en een condensator van 3,9 picofarad (pF) (elk van 0402-formaat) om de gewenste impedantie van 50 ohm (Ω) te verkrijgen (Afbeelding 8).

Afbeelding 8: De ACR4006X breedband keramische chipantenne voor 600 tot 6000 MHz heeft een voetafdruk van slechts 40 × 6 mm en vereist slechts twee kleine passieve componenten voor 50 Ω impedantie-aanpassing. (Bron afbeelding: Abracon LLC)

Het gegevensblad van de ACR4006X geeft aan dat dit component geschikt is voor 600 tot 6000 MHz, maar merk op dat de efficiëntie, piekversterking en gemiddelde versterkingsgrafieken enkele hiaten vertonen (Afbeelding 9). Dit is opzettelijk, want deze multibandantenne is ontworpen en geoptimaliseerd voor prestaties in drie specifieke banden binnen dat bereik: 600 tot 960 MHz, 1710 tot 2690 MHz en 3300 tot 6000 MHz ter ondersteuning van 3G-, 4G- en 5G-toewijzingen, evenals enkele kleinere spectrumtoewijzingen.

Afbeelding 9: De efficiëntie- en versterkingsgrafieken van de ACR4006X voor 600 tot 6000 MHz vertonen hiaten, maar deze zijn van weinig belang voor gebruikers omdat ze niet binnen de operationele 3G-, 4G- en 5G-band liggen. (Bron afbeelding: Abracon LLC)

Aangezien de ACR4006X niet bedoeld is voor GPS-ontvangers, worden de prestaties van de antenne niet gespecificeerd op GPS-draaggolffrequenties van 1575,42 MHz (L1-draaggolf) en 1227,6 MHz (L2-draaggolf).

Het X-Y-stralingspatroon van de ACR4006X is ook een functie van de frequentie, maar het behoudt nog steeds een ruwweg cirkelvormige vorm over de brede band, met slechts een paar bescheiden versterkingsdips bij 90° en 270° in het lagere frequentiebereik (Afbeelding 10).

Afbeelding 10: Het X-Y-stralingspatroon van de ACR4006X-chip-antenne is ruwweg cirkelvormig, met enkele frequentie-afhankelijke versterkingsdips bij 90° en 270°. (Bron afbeelding: Abracon LLC)

De prestatiebeoordeling van een antenne begint met het gegevensblad, vaak gevolgd door bevestiging met behulp van een echovrije kamer en uiteindelijk door praktijktests met het eindproduct. Factoren die van invloed zijn op de werkelijke prestaties van de externe antenne zijn de behuizing, het lichaam en de handen van de gebruiker voor mobiele apparaten en de locatie en plaatsing van de antenne. Dit is grotendeels losgekoppeld van de interne printplaatlay-out van het product.

De prestaties van een interne unit, zoals de ACR4006X-chipantenne, worden daarentegen beïnvloed door aangrenzende componenten en de printplaat. Daarom biedt Abracon het ACR4006X-EVB-evaluatieboard om de technische evaluatie van deze chipantenne te vergemakkelijken.

Het board wordt gebruikt in combinatie met een vector network analyzer (VNA). Na de eerste kalibratie van de configuratie—een standaardstap in de meeste VNA-tests—worden de antenneprestaties beoordeeld via de gekalibreerde poort van de VNA met behulp van de SMA-connector op het board.

Het evaluatieboard heeft een afmeting van 120 × 45 mm en is nauwkeurig gedimensioneerd voor een juiste plaatsing van de chipantenne. Dit omvat de ruimte van 45 × 13 mm tussen metaal en grond rond de antenne die vereist is voor een juiste werking (Afbeelding 11).

Afbeelding 11: Het evaluatieboard ACR4006X-EVB heeft een afmeting van slechts 120 × 45 mm en vergemakkelijkt de evaluatie van de chipantenne via de SMA-connector; het gegevensblad toont de kritische layoutgebieden en afmetingen. (Bron afbeelding: Abracon LLC)

Conclusie

Multibandantennes bieden een oplossing voor de uitdagingen van IoT-apparaten, met name apparaten die nu slechts één band moeten ondersteunen maar tegelijkertijd een eenvoudiger manier bieden voor upgrades naar nieuwere standaarden zoals 5G. Een systeem kan meerdere banden ondersteunen om de prestaties te optimaliseren in zones waar de connectiviteit op één band niet verzekerd is. De op printplaten gemonteerde interne antennes van Abracon maken een slanker pakket mogelijk, terwijl de externe antennes met behulp van een integrale RF-connector of coaxkabelbevestiging flexibiliteit bieden bij de plaatsing voor een optimaal signaalpad.