Att utrusta alla trådlösa enheter med en antenn innebär att fatta flera beslut. I den här artikeln, del 1 i en tvådelad serie, belyser vi några av de viktigaste egenskaperna som är viktiga när du väljer lämplig antenn. Vi fördjupar oss i antennterminologi och specifikationer du kommer att stöta på när du granskar ett datablad. Ämnen som inkluderar frekvensområdet enheten arbetar inom, antennförstärkning och strålningsmönster. Mekaniska faktorer som intrångsskydd, invändig eller utvändig placering och monteringsmetod är också viktigt.
En bra antenn är avgörande för att skapa en pålitlig och uthållig trådlös länk
Vi har väl alla gått runt eller hållit våra mobiltelefoner högt för att förbättra mottagningen i ett område med dålig signalstyrka. Alla prestanda för en trådlös länk förbättras när det inte finns några hinder i vägen mellan sändare och mottagare. Träd, väggar, väder och terräng absorberar radiofrekvenssignaler, vilket minskar avståndet över vilka enheter kan upprätta en bra länk, såväl data som tal. Att utrusta en trådlös enhet med en väl anpassad antenn dämpar de faktorer som minskar signalstyrkan. En optimal antenn säkerställer att den maximala genererade radiofrekvenseffekten från sändarens slutsteg strålas ut i luften; likväl kan signalen som når antennen bearbetas i mottagarens detekteringssteg. Som vi kommer att upptäcka i del 2 påverkar anslutningskabeln, tekniskt sett överföringslinan, och de tillhörande kontakterna också antennprestanda.
Antennparametrar
Ur ett förenklat perspektiv är en längd tråd en antenn, och det finns ett samband mellan trådens optimala längd för en viss frekvens. Termen våglängd avser avståndet mellan intilliggande toppar av en trådlös signal. Den används för att bestämma antennens fysiska längd och egenskaper och anger resonanspunkten. Till exempel har en Wi-Fi-signal som arbetar med 2.4 GHz en våglängd på 12.5 cm, med formeln våglängd i meter (m) = ljushastighet/frekvens (Hz), Ljusets hastighet är en konstant på 299 792 458 m/s, ofta approximerad till 3×108. Längden på en antenn beskrivs i förhållande till dess arbetsvåglängd, till exempel en kvartsvåg, halvvåg eller helvåg.
De mest populära trådlösa kommunikationsmetoderna för data och tal idag, såsom Wi-Fi, Bluetooth, mobilkommunikation (4G – 5G) och ISM-applikationer (industriell, vetenskaplig och medicinsk), involverar frekvenser från 400 MHz till 3.4 GHz. Vid dessa frekvenser blir antennens fysiska längd allt kortare, vilket möjliggör olika konstruktionsmetoder, inklusive tillverkning på kretskort.
Många antenner, särskilt de som används för bil-, transport- och telemetriapplikationer, är förpackade med flera antenner inuti för att tillgodose Wi-Fi, GPS/GNSS, fordon-till-fordon/fordon-till-infrastruktur/fordon-till-allt ( V2V/V2I/V2X) och LTE-mobilkommunikation. Ett exempel är Taoglas Optimus MA220. Se figur 1. Denna externt monterade antenn är IP67-klassad.
Antennförstärkning: Utformningen och konstruktionen av vissa antenner gör dem mer effektiva vid sändning och mottagning än en vanlig antennmodell. I databladet uttrycks denna faktor som förstärkning och mäts i dBi (dB isotrop). Till exempel illustrerar figur 2 prestanda för Taoglas MA220 för LTE-mobilkommunikation.
Strålningsmönster: Vissa antenner har riktningsförmåga, vilket innebär att de är mer effektiva för att sända och ta emot i vissa riktningar eller specifika plan. En antenn med ett isotrop strålningsmönster betyder att den avger samma mängd energi i alla riktningar. En rundstrålande antenn utstrålar samma mängd energi i ett specifikt plan, horisontellt eller vertikalt.
Antennimpedans: Antennens impedans ändras med frekvensen. Det är oerhört viktigt att anpassa antennen till utgångsimpedansen för sändarens effektslutsteg och på samma sätt mottagarens front-end. I del 2 i den här artikeln kommer vi också att lära oss hur impedansen för anslutningskabeln och kontakterna även de är avgörande för att uppnå en bra matchning. En impedans på 50 Ohm är en populär standard.
Antennbandbredd: Frekvensområdet över vilket antennen är effektiv kallas bandbredd. Bandbredd anges vanligtvis baserat på en centerfrekvens. Ett exempel på en kretskortsantenn är Molex Wi-Fi PCB-antenna.
Den har en bandbredd på 100 MHz runt en centerfrekvens på 2.45 GHz, en impedans på 50 Ohm och förstärkning 3.2 dBi.
VSWR och returförlust: Returförlust mäter hur väl en antenn är anpassad till en sändare och dess överföringslina (koaxialkabeln). Returförlust mäter hur mycket effekt som reflekteras tillbaka till sändaren istället för att utstrålas och mäts i dB. Ju högre (negativt tal), desto bättre antennprestanda. VSWR (voltage standing wave ratio) är ett annat sätt att mäta returförlust. En antenn bör ha en returförlust bättre än -10 dB (VSWR 2). Figur 4 illustrerar returförlustegenskaperna för Taoglas GA110-mobilantennen.
Mätning av antennparametrar
En vektornätverksanalysator (VNA) används för att mäta impedans och returförlustegenskaper hos en antenn och dess överföringslina. Bärbara, lågkostnads-VNA:er (<150 Euro) ger tillräcklig mätupplösning, men en mer professionell bänkmonterad enhet som kostar över 5000 euro är mer lämplig för labb-baserat arbete. High-end RF-spektrumanalysatorer har ofta en VNA-funktion. En VNA hjälper också till att uppnå korrekt design av kondensator- och induktansbaserade matchningsnät mellan sändaren och överföringslinan.
Parametrar för antenndatablad; inte längre ett mysterium
Denna korta artikel förklarar några av de viktigaste specifikationsparametrarna som du sannolikt kommer att stöta på när du läser ett antenndatablad. Med denna information får du en bättre inblick i den bästa antennen för din applikation, vilket ger optimal prestanda. I del 2 kommer vi att undersöka antennkabelns inverkan och populära antennkontakter.
