Ratkaise mobiiliyhteyshaasteet kestävillä monikaista-antenneilla

Älypuhelinten ja IoT (esineiden internet) -laitteiden lisäksi langattomien mobiiliyhteyksien toinen merkittävä käyttöalue on kuljetussovellukset, kuten junat, rekat ja omaisuudenseuranta. Nämä sovellukset asettavat järjestelmäantennille merkittäviä haasteita. Niihin kuuluvat tärinä, iskut, äärimmäiset lämpötilat, sade, kosteus ja tarve toimia laajalla kaistanleveysalueella ja jopa useilla kaistoilla. Lisäksi suorituskyvyn täytyy pysyä samalla vakaana.

Vaikka sopiva antenni on mahdollista suunnitella ja rakentaa, lähes kaikissa haastavissa sovelluksissa on järkevintä käyttää standardoitua, hyvin suunniteltua ja rakennettua, täysin karakterisoitua valmiina saatavaa yksikköä. Näin vähennetään kustannuksia ja lyhennetään kehitysaikaa ja lisätään samalla luottamusta valmiiseen ratkaisuun.

Tässä artikkelissa tarkastellaan ensin liikenneantennien suunnitteluun liittyviä ongelmia. Sen jälkeen siinä esitellään kaksi monikaistaista TE Connectivity -antennia, jotka on suunniteltu asennettavaksi kotelon pintaan (sisältäen ”perusrasian”) ja mahdollisesti avoimeen paikkaan liikkuvassa ajoneuvossa.

Sovellukset ohjaavat toteutusta

Antenni on elektronisen piirin ja vapaan tilan sähkömagneettisten kenttien (EM-kenttien) välinen elintärkeä muunnin, ja sen vuoksi usein rakenteen eniten ympäristölle altistuva elementti. Antennin on silti tarjottava tarvittava sähköinen ja RF-suorituskyky haastavista ympäristöolosuhteista huolimatta. Myös antennin muodon on oltava sopusoinnussa koko järjestelmäsuunnittelun kanssa.

Tavaraliikennejärjestelmissä ja erityisesti henkilöliikenteeseen tarkoitetuissa suurnopeusjunissa antenni täytyy myös voida integroida helposti aerodynaamiseen koteloon, jonka tuulenvastus on mahdollisimman pieni ja joka voidaan suojata ankarilta ympäristöolosuhteilta (kuva 1). Samanlaisia rajoituksia pätee omaisuuden seurantatilanteisiin, joissa antennin tulee olla esillä GNSS (Global Navigation Satellite System) -signaalien vastaanottamiseksi.

Kuva 1: Liikkuvissa suurnopeusjärjestelmissä, kuten junissa, odotetaan nykyään olevan eri standardeja ja taajuusalueita hyödyntävä mobiiliyhteys. Tähän liittyy tuulenkestävyyttä ja ympäristötekijöiden kestämistä koskevia haasteita. (Kuvan lähde: TE Connectivity)

Optimaalinen antenni tarjoaa huolellisesti valitun yhdistelmän sovelluskohtaisia ominaisuuksia, joihin kuuluvat halutut säteilykuviot, asianmukainen impedanssisovitus, alhainen VSWR (Voltage Standing Wave Ratio) -arvo, mekaaninen eheys, sopiva kotelo ja helppo sähköinen liitäntä. Monissa tapauksissa on myös tarpeen parantaa signaalipolkua ja maksimoida etuasteen signaalikohinasuhde (SNR). Se toteutetaan käyttämällä aktiiviantennia yhdessä integroidun pienikohinaisen vahvistimen (LNA) kanssa.

Kuten kaikkien komponenttien kohdalla, on olemassa joitakin tärkeimpiä parametreja, joita käytetään lähes kaikkien antennimallien ja -asennusten karakterisointiin. Lisäksi on muita parametreja, jotka voivat olla enemmän tai vähemmän kriittisiä tietyissä tilanteissa. Antenneille ratkaisevia ominaisuuksia ovat säteilykuviot ja suorituskyky koko määritellyllä taajuusalueella.

Antenniperiaatteiden toteuttaminen

Liikenteeseen ja omaisuudenseurantaan käytettävien antennien suuntaus on haaste, koska se on satunnaista ja muuttuvaa. Sen vuoksi on tärkeää, että antennit tarjoavat yhtenäisen, suuntauksettoman kuvion ylä- ja sivunäkymiä varten koko määritellyllä taajuusalueella.

Esimerkiksi TE Connectivityn M2M MiMo LTE -kaksoisantenni 1-2309605-1 on suunniteltu sekä 698–960 megahertsin (MHz) että 1710–3800 MHz:n taajuusalueille ja se on tarkoitettu 2G-, 3G-, 4G-, GSM- ja LTE-sovelluksiin (kuva 2). Yhtä ainoaa antennia voidaan käyttää tehokkaasti tämän listan standardien kanssa, koska se on välitettävästä signaalimuodosta tai tuettavasta standardista riippumaton. Määrääviä tekijöitä sen rakenteessa ovat ensisijaisesti taajuus, kaistanleveys ja teho.

Kuva 2: TE Connectivity 1-2309605-1 on kahdesta itsenäisestä antennista koostuva yksittäinen moduuli. Toinen antenneista on tarkoitettu taajuuksille 698–960 MHz ja toinen taajuuksille 1710–3800 MHz. (Kuvan lähde: TE Connectivity)

Huomaa, että ”kaksoisantenni” ei ole sama kuin ”kaksikaistainen antenni”. Kaksoisantenni, kuten 1-2309605-1, sisältää kaksi itsenäistä antennia samassa kotelossa, ja kummallakin on oma syöttönsä. Kaksikaistainen antenni puolestaan tarkoittaa yhtä ainutta antennia, jolla on yksi syöttö ja joka on suunniteltu kahdelle (tai useammalle) taajuusalueelle.

Moduulin 1-2309605-1 alemman kaistan antennin säteilykuvio on sekä ylä- että sivusuunnassa yhdenmukainen koko kaistanleveydellä noin 700 MHz:n matalasta päästä korkeampiin taajuuksiin, noin 900 MHz:n taajuuteen asti (kuva 3).

Kuva 3: Antennin 1-2309605-1 vahvistusdiagrammit 700, 800 ja 900 MHz:n taajuusalueilla (ylärivi, keskirivi ja alarivi) sivu- (vasemmalla) ja yläpuolelta (oikealla) osoittavat melko tasaisen säteilykuvion. (Kuvan lähde: TE Connectivity)

Vahvistus on 700 MHz:n taajuusalueella (taajuuskaistan alapäässä) desibeleinä suhteessa isotrooppiseen antenniin (dBi) – joka on antennin suuntaavuutta kuvaava standardimitta – vain 1,5 dBi, mikä vastaa melko tasaista säteilykuviota. Tämä yhdenmukaisuus ja tasaisuus tarjoaa tasaisen suorituskyvyn antennin suuntauksesta riippumatta. Lisäksi säteilykuvio on myös melko tasainen taajuuden yläpäässä 900 MHz, ja sen vahvistus on vain 4,5 dBi.

Toinen tärkeä antenniparametri on VSWR, joka määritellään virallisesti suurimman ja pienimmän jännitteen suhteena tai lähetettyjen ja heijastuneiden jännitteisten seisovien aaltojen suhteena häviöttömässä siirtojohdossa. Ihanteellisessa tilanteessa VSWR olisi 1:1. Vaikka tämä suhde on usein vaikea saavuttaa, on yleensä hyväksyttävää käyttää alhaiselle yksinumeroiselle alueelle sijoittuvaa VSWR-suhdetta.

M2M MiMo LTE -kaksoisantenni 1-2309605-1 voi käsitellä jopa 20 watin lähetystehoa. Sen maksimi VSWR on noin 3:1 toisessa päässä ja lähes 1,5:1 suurimmassa osassa sen toimintakaistoista 3 metrin (m) RG174-kaapelilla mitattuna (kuva 4). Yleensä tämä on riittävän alhainen moniin kohdesovelluksiin.

Kuva 4: M2M MiMo LTE -kaksoisantennin 1-2309605-1 VSWR-suhde (vertikaalinen akseli) näyttää kolmen metrin pituisella RG174-kaapelilla mitattuna alhaista arvoa koko aktiivisella taajuusalueella (x-akseli). (Kuvan lähde: TE Connectivity)

Kuvassa 4 vihreä tarkoittaa matalamman taajuuden elementtiä nro 1, punainen korkeamman taajuuden elementtiä nro 2, musta elementtejä nro 1 ja nro 2 vapaassa tilassa ja sininen elementtejä nro 1 ja nro 2 400 × 400 millimetrin (mm) kokoisella maatasolla.

Yhteen asennettavat antennit

Samaan paikkaan on mahdollista sijoittaa kaksi tai useampia erillisiä antenneja kattamaan useita taajuusalueita. Tämä johtaa kuitenkin useisiin mahdollisiin ongelmiin. Ensinnäkin vastaan tulee ilmeinen ongelma tilantarpeen ja paneeliin tai muuhun pintaan tarvittavien asennustarvikkeiden kanssa sekä niihin liittyvien asennuskustannuksien myötä. Toiseksi antennien välinen sähkömagneettinen vuorovaikutus vaikuttaa niiden kuvioihin ja suorituskykyyn, mikä rajoittaa niiden sijoittamista toisiinsa nähden. Vuorovaikutusta mitataan antennierotuksella, joka määrittää, miten paljon antenni vastaanottaa toisen antennin säteilyä.

Tämä pulma voidaan ratkaista käyttämällä yhtä antenniyksikköä, joka yhdistää useita antenneja yhteen ainoaan koteloon. Se pienentää mekaanisesta kokonaiskokoa, yksinkertaistaa asennusta ja antennikaapeleiden reititystä sekä tarjoaa virtaviivaisen ulkoasun.

Tämä tarkoittaa sähköisestä näkökulmasta käsin sitä, että antennien välinen erotus voidaan mitata ja määrittää etukäteen, jolloin odottamattomat tai ennakoimattomat vuorovaikutukset minimoidaan. M2M MiMo LTE -kaksoisantennin 1-2309605-1 erotus on vähintään 15 dB. Se kasvaa molempien laitteen käyttämien taajuusalueiden keskipisteitä kohti (kuva 5).

Kuva 5: Kahden antennin välinen erotus (y-akseli, dB) on 2309605-1 M2M MiMo LTE -kaksoisantennimoduulissa 15 dB tai parempi. Se mitataan taajuuden funktiona (x-akseli, MHz). (Kuvan lähde: TE Connectivity)

Aktiivinen vastaanottoantennitoiminto

Kaksoisantennin 1-2309605-1 kattamien kahden taajuusalueen lisäksi monissa sovelluksissa, kuten omaisuudenseurannassa, on myös vastaanotettava GNSS-järjestelmien GPS- (Yhdysvallat), Galileo- (Eurooppa) ja Beidou (Kiina) -signaaleja sijainti- tai aikatietojen saamiseksi. TE tarjoaa antennin 1-2309646-1 tämän tehtävän yksinkertaistamiseksi. Sen avulla vältetään myös toisen ulkoisen erillisen antennin tarve. Tämä tuote lisää kaksoisantenniyksikön kahteen antenniin kolmannen, ainoastaan taajuusalueen 1562–1612 MHz GNSS-signaalien vastaanottoon tarkoitetun antennin.

Tarve vastaanottaa GNSS-signaaleja tuo kuitenkin järjestelmäsuunnittelijalle uuden haasteen, joka liittyy lähetys- ja vastaanottotoimintojen perusteisiin. Antenni ja sen syöttöjohto ovat lähetyskäytössä deterministisessä tilanteessa. Ne vastaanottavat lähettimen tehovahvistimesta (PA) tulevan tunnetun, hallitun ja hyvin määritellyn signaalin ja säteilevät sen. Tämän signaalin sisäisestä kohinasta, kaistan sisäisistä häiriöistä tai kaistan ulkopuolisista signaaleista tehovahvistimen ja antennin välillä ei ole juurikaan huolta.

Kaikkiin antenneihin soveltuvan vastavuoroisuusperiaatteen vuoksi samaa lähetykseen käytettävää fyysistä antennia voidaan käyttää myös vastaanottoon. Vastaanoton toimintaolosuhteet ovat kuitenkin aivan erilaiset kuin lähetyksen. Koska antenni yrittää mitata signaalia, johon liittyy tuntemattomia tekijöitä kaistan sisäisten ja jopa kaistan ulkopuolisten häiriöiden ja kohinan suhteen, haluttu vastaanottosignaali ei ole deterministinen, koska se sisältää paljon satunnaisia tekijöitä.

Lisäksi vastaanotetun signaalin voimakkuus on alhainen (mikrovolteista muutamaan millivolttiin), kuten myös sen signaalikohinasuhde. Vastaanotetun GNSS-signaalin teho on tyypillisesti -127 ... -25 dB suhteessa yhteen milliwattiin (dBm), kun taas signaalikohinasuhde on tyypillisesti 10–20 dB. Antennin ja vastaanottimen etuasteen välisen kaapelin häviöt vaimentavat tätä herkkää signaalia entisestään. Siirtokaapelissa väistämättä esiintyvä lämpökohina ja muu kohina puolestaan heikentävät sen signaalikohinasuhdetta.

Näistä syistä moduulin 1-2309646-1 kolmanteen, vain vastaanottoon tarkoitettuun GNSS-antenniin sisältyy lisäksi pienikohinainen vahvistin. Tämä vahvistin tarjoaa GNSS-signaaleille 42 dB:n vahvistuksen, mikä lisää merkittävästi vastaanotetun signaalin voimakkuutta. Pienikohinaisen vahvistimen käyttöä yksinkertaistaa se, että se saa tehonsa (3–5 voltin DC, enintään 20 milliampeeria (mA)) vahvistetun RF-signaalin koaksiaalikaapelin kautta luotettavalla superponointitekniikalla.

Tasavirta johdetaan vastaanotinyksikön ja LNB:n välistä kaapelia pitkin (kuva 6). Pienikohinaisen vahvistimen (V1) tasavirran pääsy radiopääyksikköön (etuasteeseen) estetään pienillä sarjakondensaattoreilla (C1 ja C2). Nämä kondensaattorit sallivat antennista (ANT1) tulevan vahvistetun RF-signaalin siirtymisen radiopääyksikköön (OUT). Samaan aikaan sarjainduktorit (kuristimet) L1 ja L2 estävät vahvistetun RF-signaalin paluun takaisin virtalähteeseen V1. Näin vahvistimeen syötettävä tasavirta ja vahvistimesta radiopääyksikköön lähtevä vahvistettu RF-signaali voivat käyttää samaa koaksiaaliyhdyskaapelia.

Kuva 6: Antennin pienikohinaiseen vahvistimeen syötettävä tasavirta voidaan superponoida antennin/vahvistimen lähtökaapelissa. Tämä toteutetaan induktoreiden ja kondensaattoreiden nokkelalla järjestelyllä, joka erottaa ja eristää tasavirran ja RF-signaalin kussakin päässä. (Kuvan lähde: Electronics Stack Exchange)

Fyysisen liitännän toteuttaminen

Kaikki antennit tai antennielementtien kokoonpanot täytyy voida kytkeä ja irrottaa radion etuasteesta, jonka kanssa niitä käytetään, luotettavalla, kätevällä sekä sähköisesti ja mekaanisesti turvallisella tavalla. Lisäksi koko antennikokoonpanon täytyy olla suojattu ympäristön vaikutuksilta. Sen tulee olla helppo asentaa niin, että vaikutus asennuspintaan on mahdollisimman vähäinen.

Näiden tavoitteiden saavuttamiseksi kaksikaistaisen mallin 1-2309605-1 ja kolmikaistaisen mallin 1-2309646-1 kukin kaista on varustettu 3 metrin pituisella tavallisen SMA-pistokkeen sisältävällä RG-174-koaksiaalikaapelilla (kuva 7). Näin yhden tai useamman antennin liittäminen tai irrottaminen on suoraviivaista. Se voidaan suorittaa helposti tehtaalla järjestelmän asennuksen yhteydessä tai käyttökohteessa lisäasennuksena.

Kuva 7: Tuotteiden 1-2309605-1 ja 1-2309646-1 kullakin antennilla on oma SMA-liittimellä varustettu RG-174-koaksiaalikaapeli, joka helpottaa asennusta, kiinnittämistä, testausta ja tarvittaessa purkamista. (Kuvan lähde: TE Connectivity)

Lisäksi moniantennimoduulin kiinnittämistä järjestelmän pintaan helpottaa yksi sisäinen 18 mm:n asennustanko sekä antennikotelon alareunan ympärillä oleva akryyliliimatyyny. Antennin liittäminen käy nopeasti eikä ruostumiselle, löystymiselle tai virheelliselle kiristykselle altistuvia paljaita osia jää esille.

Näiden antennien kotelo on optimoitu liikkuviin erittäin nopeisiin sovelluksiin. Virtaviivainen yksikkö on vain 45 mm leveä ja 150 mm pitkä pyöristetyillä reunoilla (muistuttaa autojen katolla olevaa ”hain evää”), mikä minimoi sen ilmanvastuskertoimen ja tuulenvastuksen. Lisäksi kotelon UV-stabiloitu materiaali takaa, ettei auringonvalolle altistuminen heikennä koteloa ajan myötä.

Yhteenveto

Liikennekäyttöön tarkoitettu mobiili, huippunopea ja monikaistainen langaton yhteys edellyttää sähköiset, ympäristötekijöihin liittyvät ja mekaaniset tavoitteet täyttävää antennikokoonpanoa. TE Connectivityn kaksi ja kolme antennia sisältävät moduulit tarjoavat matalan ja korkean taajuuskaistan antennit sekä valinnaiset GNSS-kaista-antennit sekä sisäisen pienikohinaisen vahvistimen jälkimmäistä varten. Näiden yksiköiden kukin antenni on varustettu erillisillä koaksiaalikaapeleilla ja -liittimillä. Yksinkertainen pinta- tai paneeliasennusmahdollisuus tekee asennuksesta helppoa ja takaa kestävyyden vaativia ympäristötekijöitä vastaan.

Vastaavaa aineistoa

1. TE Connectivity, ”Antennituotteet”
2. DigiKey, ”Johtojen jälkeen: Antennit kehittyvät ja mukautuvat vaativiin langattomiin vaatimuksiin”
3. DigiKey, ”Miksi hyvä pienikohinainen vahvistin on ratkaisu antennin toimivaan etuasteeseen”