Use antenas multibandas robustas para resolver o desafio da conectividade móvel

Junto com os smartphones e dispositivos de Internet das Coisas (IoT), outro fator importante para a conectividade móvel sem fio são as aplicações de transporte, incluindo ferrovias, caminhões e rastreamento de ativos. Estas aplicações colocam um conjunto único de exigências significativas na antena do sistema, tais como vibração, choque, extremos de temperatura, chuva, umidade e a necessidade de operar através de largas larguras de banda e até mesmo múltiplas bandas, tudo isso ao mesmo tempo em que proporciona um desempenho consistente.

Embora seja possível projetar e construir uma antena adequada, em quase todas as aplicações desafiadoras, faz mais sentido usar uma unidade padrão, bem projetada, bem construída, totalmente caracterizada, pronta para uso. Fazendo isso, reduz o custo e o tempo de desenvolvimento enquanto aumenta o nível de confiança no projeto final.

Este artigo examina as questões associadas ao projeto da antena de transporte. Em seguida, introduz duas antenas multibandas da TE Connectivity projetadas para serem montadas na superfície de um gabinete, incluindo uma "caixa" básica e possivelmente um veículo exposto em movimento.

As aplicações levam a implementação

A antena é o transdutor vital entre um circuito eletrônico e campos eletromagnéticos (EM) de espaço livre, e por isso é frequentemente o elemento mais exposto do projeto. No entanto, deve fornecer o desempenho elétrico e de RF desejado apesar das condições ambientais adversas, usando um fator de forma compatível com o projeto geral do sistema.

Para sistemas de carga e especialmente para trilhos de passageiros de alta velocidade, também deve ser facilmente integrada em um gabinete aerodinâmico que apresente resistência mínima ao vento e possa ser protegida de condições ambientais adversas (Figura 1). Restrições similares se aplicam a situações de rastreamento de ativos onde a antena deve ser exposta para receber sinais do sistema global de navegação por satélite (GNSS).

Figura 1: A conectividade móvel utilizando vários padrões e bandas é agora uma expectativa em instalações móveis de alta velocidade, como trens, enfrentando desafios devido à resistência ao vento e à robustez ambiental. (Fonte da imagem: TE Connectivity)

A antena ideal é uma mistura cuidadosa de características específicas da aplicação, incluindo padrões desejados de radiação, casamento de impedância adequada, relação de onda estacionária (VSWR) de baixa tensão, integridade mecânica, adequação do gabinete e facilidade de conexões elétricas. Há também a necessidade em muitos casos de melhorar o caminho do sinal e maximizar a relação sinal/ruído (SNR) de front-end através do uso de uma antena ativa com um amplificador integrado de baixo ruído (LNA).

Como em todos os componentes, há alguns parâmetros de alto nível utilizados para caracterizar quase todos os projetos e instalações de antenas, bem como outros que podem ser mais ou menos críticos em uma determinada situação. Para antenas, os padrões de radiação e desempenho em toda a banda especificada são considerações-chave.

Implementando os princípios da antena

A orientação das antenas utilizadas para transporte e rastreamento de ativos é um desafio, pois é aleatória e mutável, tornando importante que elas tenham um padrão consistente e omnidirecional para a vista superior e lateral em toda a banda especificada.

Por exemplo, a antena dupla M2M MiMo LTE 1-2309605-1 da TE Connectivity é projetada tanto para as bandas de 698 a 960 megahertz (MHz) quanto de 1710 a 3800 MHz e visa aplicações 2G, 3G, 4G, celular, GSM e LTE (Figura 2). Uma única antena pode ser eficaz para esta lista de padrões porque é agnóstica em relação ao formato de sinal específico que está transmitindo ou padrão que está suportando; seu design é definido principalmente pela frequência, largura de banda e potência.

Figura 2: O 1-2309605-1 da TE Connectivity é um módulo único composto de duas antenas independentes, uma para operação de 698 a 960 MHz e outra para operação de 1710 a 3800 MHz. (Fonte da imagem: TE Connectivity)

Note que uma antena "dupla" não é o mesmo que uma antena de "banda dupla". Uma antena dupla, como a 1-2309605-1, tem duas antenas independentes em uma única carcaça e cada uma tem sua própria alimentação; uma unidade de banda dupla é uma antena única com uma alimentação, projetada para suportar duas (ou mais) bandas.

Olhando para a antena de banda inferior do 1-2309605-1, seu padrão de radiação para as orientações superiores e laterais é uniforme em toda a largura de banda, desde a extremidade inferior em cerca de 700 MHz, estendendo-se até as frequências superiores, em cerca de 900 MHz (Figura 3).

Figura 3: Os gráficos de ganho lateral (esquerda) e superior (direita) do 1-2309605-1 a 700, 800 e 900 MHz (fileira superior, fileira do meio, fileira inferior, respectivamente) mostram um padrão de radiação bastante uniforme. (Material fonte da imagem: TE Connectivity)

Em 700 MHz (a extremidade baixa da banda de frequência), o ganho em decibéis relativo a uma antena isotrópica (dBi) — uma métrica padrão que indica a direção da antena — é de apenas 1,5 dBi, o que representa um padrão de radiação bastante uniforme. Esta uniformidade e homogeneidade contribuem para um desempenho consistente, independentemente da orientação da antena. Além disso, o padrão de radiação para a extremidade de frequência mais alta de 900 MHz também é o bastante, mesmo com um ganho de apenas 4,5 dBi.

Outro parâmetro importante da antena é o VSWR, que é formalmente definido como a relação entre a tensão máxima e mínima, ou a relação entre a tensão transmitida e a tensão refletida em uma linha de transmissão sem perdas. Em um cenário ideal, o VSWR seria 1:1. Embora isto seja frequentemente difícil de alcançar, geralmente é uma prática aceitável trabalhar com um VSWR nos poucos dígitos individuais.

Para a antena dupla M2M MiMo LTE 1-2309605-1, que pode suportar até 20 watts de potência de transmissão, o VSWR máximo quando medido com 3 metros (m) de cabo RG174 é de cerca de 3:1 em uma extremidade, e mais próximo de 1,5:1 através da maioria de suas bandas de operação (Figura 4). Em geral, isto é suficientemente baixo para muitas das aplicações destinadas.

Figura 4: O VSWR (eixo vertical) para a antena dupla M2M MiMo LTE 1-2309605-1 medido com 3 m de cabo RG174 mostra um valor baixo em toda a faixa de frequência ativa (eixo x). (Fonte da imagem: TE Connectivity)

Na Figura 4, o verde é o elemento n° 1 de menor frequência, o vermelho é o elemento n° 2 de maior frequência, e o preto é para os elementos n 1 e n° 2 em espaço livre, enquanto o azul é para os elementos n 1 e n° 2 em um plano terra de 400 × 400 milímetros (mm).

Antenas co-localizadas

É possível co-localizar duas ou mais antenas separadas para cobrir várias bandas. No entanto, isto leva a vários problemas potenciais. Primeiro, há a questão óbvia de espaço e ferragem de montagem necessária em um painel ou outra superfície, bem como os custos de instalação associados. Em segundo lugar, existem preocupações sobre a interação EM entre antenas que afetarão seus padrões e desempenho; isto limita como elas podem ser colocadas em relação umas às outras. Esta interação é medida como isolação da antena, definindo até que ponto uma antena captará radiação de outra antena.

A solução para este dilema é usar uma única unidade de antena que combine várias antenas dentro de uma única carcaça ou gabinete. Mecanicamente, isto reduz o tamanho geral, simplifica a instalação e o roteamento do cabo da antena, e apresenta uma aparência externa simplificada.

Eletricamente, significa que a isolação entre as antenas pode ser medida e especificada com antecedência, minimizando as preocupações sobre a interação inesperada ou imprevista. Para a antena dupla 1-2309605-1 M2M MiMo LTE, a isolação é de pelo menos 15 dB, aumentando em direção aos centros de ambas as bandas que a unidade serve (Figura 5).

Figura 5: A isolação (eixo y, dB) entre as duas antenas dentro do módulo de antena dupla 2309605-1 M2M MiMo LTE é de 15 dB ou melhor, medida em função da frequência (eixo x, MHz). (Fonte da imagem: TE Connectivity)

Uma função ativa de antena de recepção

Além das duas bandas cobertas pela antena dupla 1-2309605-1, muitas aplicações como o rastreamento de ativos também precisam receber sinais dos sistemas GNSS como GPS (EUA), Galileo (Europa) e Beidou (China) para informações de posição ou tempo. Para simplificar esta tarefa e evitar a necessidade de outra antena externa discreta, a TE oferece a 1-2309646-1. Isto acrescenta uma terceira antena, somente de recepção para sinais GNSS entre 1562 – 1612 MHz, às duas antenas da unidade de antena dupla.

Entretanto, a necessidade de receber sinais GNSS acrescenta outro desafio para o projetista do sistema que volta ao básico das funções de transmissão versus recepção. Quando usada para transmitir, a antena e sua linha de alimentação estão em uma situação determinística. Elas pegam o sinal conhecido, controlado e bem definido do amplificador de potência do transmissor (PA) e o irradiam. Há pouca preocupação com o ruído interno naquele sinal, interferência na banda ou sinais fora da banda entre o PA e a antena.

Devido ao princípio da reciprocidade que se aplica a todas as antenas, a mesma antena física usada para a transmissão pode ser usada para a recepção. Entretanto, as condições operacionais para o recebimento são bem diferentes das condições para a transmissão. Como a antena está tentando capturar um sinal com incógnitas na presença de interferências e ruídos dentro e fora da banda, o sinal recebido desejado não é determinístico, pois tem muitas características aleatórias.

Além disso, a força do sinal recebido é baixa (na ordem de microvolts a alguns milivolts) e o SNR também é baixo. Para sinais GNSS, a potência do sinal recebido é normalmente entre -127 e -25 dB em relação a um milliwatt (dBm), enquanto que o SNR é normalmente entre 10 e 20 dB. Este frágil sinal será atenuado devido a perdas no cabo entre a antena e o front-end do receptor, e também terá seu SNR degradado por inevitáveis ruídos térmicos e outros ruídos no cabo de transmissão.

Por estas razões, o 1-2309646-1 incorpora um LNA como outra característica para sua terceira antena GNSS, apenas de recepção. O LNA fornece 42 dB de ganho para os sinais GNSS, aumentando assim significativamente a força do sinal recebido. Para simplificar o uso do LNA, ele recebe sua potência (3 a 5 volts CC, a não mais que 20 miliamperes (mA)) através do cabo coaxial do sinal RF amplificado, usando uma técnica de sobreposição bem estabelecida.

A alimentação CC é enviada no cabo entre a unidade receptora e o LNB (Figura 6). A alimentação CC para o LNA (V1) é bloqueada para não alcançar a unidade principal de rádio (front-end) graças a capacitores pequenos em série (C1 e C2). Estes capacitores permitem que o sinal de RF amplificado da antena (ANT1) passe para a unidade principal de rádio (OUT). Ao mesmo tempo, o sinal RF amplificado é bloqueado para não voltar à fonte de alimentação V1 graças a indutores (de choque) em série L1 e L2. Desta forma, a alimentação CC para o LNA e a RF amplificada do LNA para a unidade principal de rádio pode compartilhar o mesmo cabo coaxial de interconexão.

Figura 6: A alimentação CC para o LNA da antena pode ser sobreposta ao cabo que transporta a saída da antena/LNA usando uma disposição inteligente de indutores e capacitores que separam e isolam a alimentação CC e o sinal de RF em cada extremidade. (Fonte da imagem: Electronics Stack Exchange)

Fazendo a conexão física

Qualquer antena ou conjunto de elementos de antena precisa ter uma forma confiável, conveniente, eletricamente e mecanicamente segura para ser conectada e desconectada do front-end de rádio que servem. Além disso, a montagem completa da antena precisa ser protegida do meio ambiente e ser fácil de montar com o mínimo impacto sobre a superfície de montagem.

Para atingir estes objetivos, cada banda do 1-2309605-1 de duas bandas e do 1-2309646-1 de três bandas está equipada com um cabo coaxial RG-174 de 3 metros, que é terminado com um plugue SMA padrão (Figura 7). Como resultado, a conexão ou desconexão de uma ou mais antenas é simples e pode ser feita facilmente na fábrica durante a montagem do sistema, ou no campo como um complemento.

Figura 7: Cada antena dentro do 1-2309605-1 e 1-2309646-1 tem seu próprio cabo coaxial RG-174 com terminação SMA para simplificar a instalação, fixação, teste e desmontagem, se necessário. (Fonte da imagem: TE Connectivity)

Além disso, a fixação do módulo multi-antena à superfície do sistema é facilitada pelo uso de uma única haste de montagem interna de 18 mm, mais um pad adesivo acrílico ao redor da borda inferior da carcaça da antena. A fixação da antena é uma operação rápida que não deixa nenhuma ferragem exposta à ferrugem, solta ou torcida incorretamente.

A carcaça destas antenas é otimizada para aplicações móveis e de movimento de alta velocidade. A unidade simplificada tem apenas 45 mm de largura e 150 mm de comprimento com bordas arredondadas (semelhante à "barbatana de tubarão" no teto dos automóveis) para minimizar seu coeficiente de arrasto e resistência ao vento. Além disso, o material com estabilizador de UV do gabinete garante que a exposição à luz solar não enfraquecerá a carcaça com o tempo.

Conclusão

A conectividade móvel, sem fio, de alta velocidade e multibandas para o transporte requer uma montagem de antena que possa atender aos exigentes objetivos elétricos, ambientais e mecânicos. Os módulos de duas e três antenas da TE Connectivity fornecem antenas de banda baixa, banda alta e banda GNSS opcional, junto com um LNA interno para esta última. Estas unidades são equipadas com cabos e conectores coaxiais individuais para cada antena, além de um arranjo simples de montagem em superfície ou painel para facilitar a instalação e fornecer robustez ambiental crítica.

Conteúdo relacionado

1. TE Connectivity, "Produtos de antena"
2. DigiKey, “Além dos fios: Antenas evoluem e se adaptam para atender às exigências da tecnologia sem fio”
3. DigiKey, "Por que um bom LNA é a chave para um front-end de antena viável"