Como atender tanto as redes 5G de IoT sem fio como as herdadas usando antenas de banda larga

Além dos smartphones de consumo altamente visíveis, as conexões sem fio baseadas em 5G estão abordando diversas aplicações embutidas como a Internet das Coisas (IoT), conexões de máquina a máquina (MTM), a rede elétrica inteligente, máquinas de venda automática, gateways, roteadores, segurança e conectividade de monitoramento remoto. No entanto, esta mudança para 5G não acontecerá da noite para o dia. Isto cria uma necessidade de antenas no front-end do canal de comunicação sem fio que pode atender a 5G, bem como as conexões 2G, 3G e outras não 5G que permanecerão no lugar por anos futuros, mesmo com a proliferação do 5G.

Por estas razões, os engenheiros precisam projetar produtos para bandas além daquelas que suportam os padrões 5G. Mesmo que o front-end interno de RF ou amplificador de potência seja diferente para cada banda, há benefícios em ter uma única antena de banda larga para servir tanto as bandas 5G quanto as bandas herdadas.

Este artigo analisa as antenas de banda larga que servem o espectro da banda inferior de 5G, bem como as bandas herdadas, como representado pelas unidades ilustrativas da Abracon LLC. O artigo mostra como o uso deste tipo de antena — seja como unidades externas visíveis ou internas embutidas — pode facilitar o projeto, simplificar a lista de materiais (BOM), e facilitar a instalação de uma modernização para 5G, se necessário.

Comece com bandas regulatórias

As antenas são o último elemento do caminho do sinal de transmissão de RF e o primeiro no caminho complementar do receptor. A função da antena é ser um transdutor entre o mundo dos circuitos de corrente e tensão e o mundo de RF de energia irradiada e campos eletromagnéticos.

Ao selecionar uma antena para a aplicação de destino, é importante ter em mente que a antena funciona sem considerar o tipo de modulação ou padrão industrial para o qual ela está sendo usada. Nenhum dos parâmetros usados para a seleção da antena — como frequência de ressonância, largura de banda, ganho, potência nominal ou tamanho físico — é uma função de se a antena está sendo usada para amplitude, frequência ou sinais de modulação de fase (AM, FM, PM), ou 3G, 4G, 5G, ou mesmo formatos de sinais proprietários.

É claro que os projetos de sistemas para aplicações emergentes que suportam os padrões 5G estão recebendo uma quantidade significativa de atenção de projeto, especialmente para as bandas 5G abaixo de 6 gigahertz (GHz), onde reside a maior parte da atividade 5G. É importante distinguir entre o padrão sem fio que o sistema suporta, versus a frequência e o espectro utilizado que determina a seleção da antena.

Os novos padrões 5G fazem uso de segmentos de espectro anteriormente não disponíveis, ao mesmo tempo em que aproveitam partes do espectro já em uso, incorporando esquemas de modulação de maior nível para maior rendimento. Assim, enquanto o suporte da indústria e das operadoras para um padrão existente pode ser gradualmente eliminado (ou "descontinuado") como o 3G em 2022, algumas partes do espectro utilizado pelo 3G ainda serão utilizadas para 4G e até mesmo para 5G (Figura 1).

Figura 1: As frequências entre 600 e 6000 MHz suportam vários padrões como 3G, 4G e 5G, com alguma sobreposição de espectro. (Fonte da imagem: Abracon LLC)

Isto significa que as antenas que suportam bandas 3G ou 4G ainda podem ser viáveis também para 5G, e vice-versa. O padrão pode ser descontinuado, mas sua antena não, e a compatibilidade da antena mais/menos atual é possível. Em cada um desses casos, a reutilização da antena que suporta vários padrões e bandas é uma solução prática e muitas vezes desejável.

Outros padrões importantes no espectro de RF de 600 megahertz (MHz) a 6 GHz incluem:

• Serviço de Rádio de Banda Larga do Cidadão (CBRS), um segmento de 150 MHz de largura ligeiramente regulamentada na faixa de 3550 MHz a 3700 MHz (3,5 GHz a 3,7 GHz). Nos Estados Unidos, a Comissão Federal de Comunicações (FCC) designou este serviço para compartilhamento entre três níveis de usuários: usuários incumbentes, usuários de licença de acesso prioritário (PAL) e usuários de acesso com autorização geral (GAA).
• LTE-M, a abreviação de LTE Cat-M1 (muitas vezes chamada CAT M) ou Evolução a Longo Prazo (4G), categoria M1. Esta tecnologia permite que dispositivos IoT de baixo ciclo de trabalho, alimentados por bateria, se conectem diretamente a uma rede 4G sem um gateway.
• Narrowband-IoT (NB-IoT), é uma tecnologia sem fio de grau celular que utiliza multiplexação por divisão de frequências ortogonais (OFDM) dentro da cobertura 3G. É uma iniciativa do Projeto de Parceria de Terceira Geração (3GPP) — a organização por trás da padronização dos sistemas celulares — para atender às necessidades de dispositivos de taxa muito baixa de dados que precisam se conectar a redes móveis, também muitas vezes alimentados por baterias.

Uma nota sobre a terminologia de banda larga e multibanda, pois existe a possibilidade de confusão e ambiguidade. "Banda larga" refere-se a uma antena com uma largura de banda que é uma fração significativa de sua frequência de ressonância. Embora não haja uma definição formal deste número, informalmente significa geralmente uma largura de banda que é de pelo menos 20 a 30 por cento da frequência de ressonância. Em contraste, "multibanda" significa uma antena que é projetada para suportar duas ou mais bandas, conforme definido pelas normas regulatórias; estas bandas podem ser bem espaçadas ou amplamente separadas.

Um exemplo extremo de antena multibanda seria aquela que funciona simultaneamente para transmissão AM (550 a 1550 quilohertz (kHz)) e transmissão FM (88 a 108 MHz). Uma antena multibanda pode ser de banda larga, mas não é necessariamente assim.

Independentemente do número, espaçamento e largura de banda que suporta, uma antena multibanda tem uma única conexão de RF, mesmo que internamente possa compreender duas ou mais antenas distintas combinadas. Ao contrário de uma antena de banda larga mais simples, uma antena multibanda pode na verdade ser projetada com lacunas deliberadas na cobertura de ganho através de sua largura de banda para minimizar a interferência de co-canais.

Antena interna ou externa

O padrão de conectividade sem fio para o qual a antena está sendo usada não é uma questão de projeto de antena, mas a frequência e a largura de banda são definitivamente considerações que tornam a implementação física da antena uma decisão importante. Uma das principais considerações de projeto é a utilização de uma antena externa ou de uma antena embutida no produto final.

As antenas internas têm estes atributos:

• Permitem que um pacote mais elegante, sem acessórios externos, seja quebrado ou preso
• A antena embutida está sempre conectada e disponível
• Têm limitações inerentes com relação à cobertura, eficiência, padrões de radiação e outros critérios de desempenho
• O desempenho da antena embutida será afetado pelos circuitos adjacentes, de modo que sua colocação está estreitamente correlacionada com o tamanho da placa de circuito, layout, componentes e disposição geral
• A mão ou o corpo do usuário pode induzir mudanças no padrão da antena, na eficiência e no desempenho

Em contraste, as antenas externas possuem estas características:

• Oferecem mais potencial para adaptar os padrões de radiação, largura de banda e ganho, uma vez que têm mais graus de liberdade de projeto
• Não precisam ser fixadas à unidade IoT/RF e podem ser instaladas a uma distância modesta usando um cabo coaxial
• São menos afetadas, ou nada afetadas, pelos aspectos elétricos do projeto e da embalagem do produto
• Estão disponíveis em vários estilos e configurações
• Exigem um conector ou cabo para a fixação, que pode ser um ponto de falha

A escolha entre uma antena externa e uma interna é geralmente decidida de acordo com vários fatores. Estes incluem a aplicação do produto final e a preferência do usuário, equilibrada em relação ao desempenho e se a antena será usada em uma situação móvel ou fixa. Por exemplo, um smartphone com antena externa pode ser considerado embaraçoso. Em contraste, um nó IoT fixo no lugar com uma antena externa e talvez ligeiramente remota pode proporcionar uma conectividade melhor e mais consistente.

Benefícios da antena multibanda

As antenas multibandas podem satisfazer as aplicações existentes, enquanto que os projetos à prova de futuro para modernizações incluem a conectividade 5G. Mas por que considerar uma antena deste tipo se os parâmetros de instalação e as especificidades são conhecidos? Há várias boas razões:

• Uma única antena pode ser utilizada em uma única família de produtos com diferentes bandas de destino, simplificando assim o gerenciamento de estoque e compras
• Uma antena interna multibanda resulta em um pacote menor, enquanto uma externa reduz o número de conectores de antena no gabinete do produto
• A antena multibanda pode servir um dispositivo IoT onde uma modernização para uma nova banda como 5G é possível ou antecipada, seja por razões de desempenho ou de descontinuidade da banda e padrão existente
• Uma única antena externa, para várias bandas, proporciona pontos em comum no que diz respeito às técnicas de instalação e ferramentas
• Para aplicações críticas fixas e especialmente móveis, a seção de RF do dispositivo pode fornecer suporte de banda dupla, permitindo que o dispositivo comute dinamicamente entre bandas para um ótimo desempenho em um determinado local ou ajuste
• Os projetistas podem usar uma única antena interna multibanda em dispositivos não relacionados, mas ganham aproveitando sua experiência com a modelagem, colocação e possíveis problemas de produção de antenas

Exemplos de antenas multibandas do mundo real

Apesar de seu desempenho em banda larga, as antenas multibandas não são limitadas no fator de forma ou tipo de terminação, como os três exemplos ilustram.

A AEBC1101X-S é uma antena de chicote celular 5G/4G/LTE que mede 115 milímetros (mm) de comprimento com um diâmetro máximo de 19 mm, projetada para operação de 600 MHz a 6 GHz (Figura 2). Vem com um conector padrão SMA macho que pode girar até 90° para montagem direta no gabinete do produto (também pode ser usado com um cabo coaxial extensível); um conector SMA de polaridade inversa também está disponível.

Figura 2: A antena de chicote celular 5G/4G/LTE AEBC1101X-S é projetada para operação de 600 MHz a 6 GHz e vem com um conector coaxial SMA integral com 90° de rotação. (Fonte da imagem: Abracon LLC)

Sua relação de onda estacionária (VSWR ou ROE em português) da tensão e desempenho de ganho de pico são bastante constantes em toda a banda, embora haja uma mudança na eficiência entre as faixas de freqüência inferior e superior (Figura 3).

Figura 3: A antena de chicote celular 5G/4G/LTE AEBC1101X-S tem mudanças modestas no desempenho entre suas faixas de baixa (600 a 960 MHz) e alta (1400 a 6000 MHz). (Fonte da imagem: Abracon LLC)

O padrão de radiação é bastante circular em toda a banda, com alguns pequenos lóbulos emergindo a 3600 MHz que se tornam um pouco mais aparentes a 5600 MHz (Figura 4).

Figura 4: O padrão de radiação X-Y para o AEBC1101X-S muda entre 3600 e 5600 MHz, com o aparecimento de alguns lóbulos. (Fonte da imagem: Abracon LLC)

A antena de lâmina AECB1102XS-3000S 5G/4G/LTE/NB-IoT/CAT, também para operação de 600 MHz a 6 GHz, mede 115,6 mm de comprimento × 21,7 mm de largura com um perfil muito fino de apenas 5,8 mm (Figura 5). É projetada para uma instalação fácil e conveniente contra uma superfície plana com fita adesiva.

Figura 5: A antena de lâmina 5G/4G/LTE/NBIOT/CAT AECB1102XS-3000S, também para 600 MHz a 6 GHz, é uma antena de perfil baixo projetada para ser convenientemente montada contra uma superfície plana, simplesmente usando fita adesiva. (Fonte da imagem: Abracon LLC)

Seu desempenho de RF é semelhante ao do AEBC1101X-S com um ROE máximo abaixo de 3,5, mas o ganho de pico é um pouco menor a 2 decibéis em relação a um radiador isotrópico (dBi). O padrão de radiação no plano X-Y e X-Z também é mais complexo (Figura 6).

Figura 6: Os padrões de radiação X-Z e Y-Z para a antena de lâmina AECB1102XS-3000S mostram um conjunto mais complexo de lóbulos do que a antena de chicote. (Fonte da imagem: Abracon LLC)

Uma diferença notável entre o AEBC1101X-S e o AECB1102XS-3000S está nas terminações disponíveis. A unidade de lâmina AECB1102XS-3000S vem padronizada com um cabo coaxial LMR-100 de 1 metro (m) (este substitui os tipos de cabo RG174 e RG316) terminado com o conector SMA macho amplamente utilizado. Entretanto, quase qualquer comprimento de cabo pode ser encomendado, e os tipos de conectores além do SMA também são oferecidos como opções padrões para flexibilidade da conexão (Figura 7).

Figura 7: O cabo coaxial padrão para o AECB1102XS-3000S é terminado com um conector SMA (M), mas muitas outras opções de conectores são oferecidas. (Fonte da imagem: Abracon LLC)

A antena de chip cerâmico de banda larga em 600 a 6000 MHz ACR4006X é um dispositivo de montagem em superfície que mede apenas 40 × 6 × 5 mm de altura. Em operação, é necessário uma rede de casamento de impedância minúscula de indutor-capacitor (LC), composta por um indutor de 8,2 nanohenry (nH) e um capacitor de 3,9 picofarad (pF) (cada um de tamanho 0402) para obter a impedância desejada de 50 ohm (Ω) (Figura 8).

Figura 8: A antena chip cerâmico de banda larga em 600 a 6000 MHz ACR4006X tem uma pegada de apenas 40 × 6 mm, e requer apenas dois minúsculos componentes passivos para um casamento de impedância de 50 Ω. (Fonte da imagem: Abracon LLC)

A ficha técnica do ACR4006X indica que trata-se de um dispositivo de 600 a 6000 MHz, mas observe que sua eficiência, gráficos do ganho de pico e do ganho médio têm algumas lacunas (Figura 9). Isto é deliberado, pois esta antena multibanda é projetada e otimizada para desempenho em três bandas específicas dentro dessa faixa: 600 a 960 MHz, 1710 a 2690 MHz, e 3300 a 6000 MHz para suportar alocações 3G, 4G e 5G, bem como algumas alocações de espectro menores.

Figura 9: Os gráficos de eficiência e ganho para o ACR4006X de 600 a 6000 MHz mostram lacunas, mas estas são de pouca preocupação para os usuários, pois não estão dentro das bandas de operação 3G, 4G e 5G. (Fonte da imagem: Abracon LLC)

Como o ACR4006X não se destina a receptores GPS, seu desempenho não é especificado nas frequências portadoras de GPS de 1575,42 MHz (portadora L1) e 1227,6 MHz (portadora L2).

O padrão de radiação X-Y do ACR4006X também é uma função da frequência, mas ainda mantém uma forma aproximadamente circular através de sua ampla banda, com apenas algumas quedas modestas de ganho a 90° e 270° em sua faixa de frequência mais baixa (Figura 10).

Figura 10: O padrão de radiação X-Y da antena de chip ACR4006X é aproximadamente circular, mas com algumas quedas de ganho dependentes da frequência a 90° e 270°. (Fonte da imagem: Abracon LLC)

A avaliação do desempenho de uma antena começa com a ficha técnica, muitas vezes seguida de confirmação usando uma câmara anecoica, e eventualmente testes de campo com o produto final. Os fatores que afetam o desempenho real da antena externa são o gabinete, o corpo e as mãos do usuário para as unidades móveis, e a localização e colocação da antena. É em grande parte dissociado do layout interno da placa de circuito do produto.

Em contraste, o desempenho de uma unidade interna como a antena de chip ACR4006X é afetado pelos componentes adjacentes e pela placa de circuito impresso. Por esta razão, a Abracon oferece a placa de avaliação ACR4006X-EVB para fornecer um meio de facilitar a avaliação de engenharia desta antena de chip.

A placa é usada em conjunto com um analisador de rede vetorial (VNA). Após a calibração inicial da configuração — uma etapa padrão na maioria dos testes VNA — o desempenho da antena é avaliado através da porta calibrada do VNA usando o conector SMA na placa.

A placa de avaliação mede 120 × 45 mm e é dimensionada precisamente para a colocação adequada da antena de chip. Ela inclui a área de folga necessária de 45 × 13 mm de metal/terra ao redor da antena para o funcionamento adequado (Figura 11).

Figura 11: A placa de avaliação ACR4006X-EVB mede apenas 120 × 45 mm e facilita a avaliação da antena de chip através de seu conector SMA; a ficha técnica mostra áreas e dimensões críticas de layout. (Fonte da imagem: Abracon LLC)

Conclusão

As antenas multibandas atendem aos desafios dos dispositivos IoT, especialmente aqueles que precisam suportar uma única banda de imediato, ao mesmo tempo em que oferecem um caminho mais brando de modernização para padrões mais novos, como o 5G. Também permitem que um sistema suporte várias bandas para otimizar o desempenho em zonas onde a conectividade não é assegurada em uma única banda. Como mostrado, as antenas internas montadas em placas de circuitos da Abracon permitem um pacote mais elegante, enquanto suas antenas externas que utilizam um conector RF integral ou um cabo coaxial oferecem flexibilidade na colocação para um caminho de sinal ideal.