כיצד להתאים לרשתות IoT אלחוטיות מהדורות הקודמים ו-5G כאחד באמצעות אנטנות רחבות-פס

בנוסף לסמארטפונים לצרכנים שהם בעלי נראות גבוהה, קישורי אלחוט מבוססי-5G עונים ליישומים משובצים מגוונים כמו אינטרנט של דברים (IoT), קישורי מכונה-למכונה (MTM), רשת חשמל חכמה, מכונות מכירה אוטומטית, שערים, נתבים, אבטחה וניטור-מרחוק. עם זאת, מעבר זה ל-5G לא יקרה בן-לילה. זה יוצר צורך באנטנות בקצה-הקדמי של קישורי תקשורת אלחוטית היכולות לתת מענה ל-5G, כמו גם לקישורי הדורות הקודמים 2G‏, 3G ויתר הקישורים שאינם 5G שיישארו כאן במשך שנים רבות, אפילו כשה-5G משגשג.

מסיבות אלו, המהנדסים צריכים לתכנן מוצרים עבור פסי-התדרים בנוסף לאלו התומכים בתקני 5G. גם אם הקצה-הקדמי RF הפנימי או מגבר ההספק שונה עבור כל פס-תדר, ישנם יתרונות באנטנה רחבת-פס יחידה שתשרת הן 5G והן פסי-תדרים מהדורות הקודמים.

מאמר זה בוחן אנטנות רחבות-פס המשרתות את ספקטרום ה-5G בפס הנמוך יותר כמו גם פסי-תדרים מהדורות הקודמים, כפי שמיוצג על ידי יחידות ההמחשה של Abracon LLC. המאמר מראה כיצד השימוש באנטנה מסוג זה - בין אם כיחידות חיצוניות גלויות ובין אם כיחידות משובצות פנימיות - יכול להקל על התכנון, לפשט את מפרט החומרים (BOM), ולהקל על התקנת שדרוגים ל-5G במידת הצורך.

נתחיל עם פסי-התדרים הרגולטוריים

האנטנות הן האלמנט האחרון במסלול אותות השידור והראשון במסלול הקליטה המשלים של ה-RF. תפקידה של האנטנה הוא להיות מתמר בין עולם המעגלים של זרם ומתח לבין עולם ה-RF של אנרגיה מוקרנת ושדות אלקטרומגנטיים.

כאשר בוחרים אנטנה עבור יישום היעד, חשוב לזכור שהאנטנה מתפקדת ללא קשר לסוג המודולציה או התקן התעשייתי שעבורו היא משמשת. אף אחד מהפרמטרים המשמשים לבחירת אנטנה - כגון תדר מרכזי, רוחב-פס, הגבר, דירוג הספק או גודל פיזי - אינו פונקציה של האם האנטנה משמשת עבור אפנון אמפליטודה, תדר או פאזה (PM, FM, AM), עבור 3G‏, 4G‏, 5G‏ או אפילו עבור פורמטי אותות קנייניים.

כמובן, תכני מערכות עבור יישומים מתפתחים התומכים בתקני 5G זוכים לתשומת לב משמעותית מצד המתכננים, במיוחד עבור פסי-תדרים-5G מתחת ל-6 גיגה-הרץ (GHz) שבהן נמצאת מרבית פעילות ה-5G. חשוב להבחין בין תקן האלחוט בו המערכת תומכת, לעומת התדר והספקטרום המשמשים הקובעים את בחירת האנטנה.

תקני ה-5G החדשים משתמשים במקטעי ספקטרום שלא היו זמינים בעבר, תוך מינוף חלקים מהספקטרום שכבר נמצאים בשימוש על ידי שילוב שיטות אפנון ברמה גבוהה יותר עבור תפוקה גבוהה יותר. לכן, בעוד שתמיכת התעשייה והספקים עבור תקן קיים עשויה להיפסק (או "לשקוע"), כגון 3G בשנת 2022, חלקים מסוימים מהספקטרום המשמש את ה-3G עדיין ישמשו עבור 4G ואפילו עבור 5G (איור 1).

איור 1: התדרים בין 600 ל-6,000 מגה-הרץ תומכים במספר תקנים כגון 4G, 3G ו-5G, עם חפיפה מסוימת של בספקטרום. (מקור התמונה: Abracon LLC)

המשמעות היא שניתן יהיה עדיין להשתמש באנטנות התומכות בפסי-התדרים 3G או 4G‏ גם עבור 5G, ולהיפך. התקן עלול "לשקוע" אך האנטנה שלו לא, ותאימות אנטנה קדימה/אחורה היא אפשרית. בכל אחד מהמקרים הללו, שימוש חוזר באנטנות התומכות במספר תקנים ופסי-תדרים הוא פתרון מעשי ולעתים קרובות רצוי.

תקנים חשובים נוספים בספקטרום ה-RF מ-600 מגה-הרץ (MHz) עד GHz‏ 6‏ כוללים:

• Citizens Broadband Radio Service‏ (CBRS‏), סגמנט ברוחב MHz‏ 150‏ עם רגולציה מועטה, בתחום של MHz‏ 3,550‏ עד MHz‏ 3,700‏ (GHz‏ 3.5‏ עד GHz‏ 3.7‏). בארצות הברית, ועדת התקשורת הפדרלית (FCC) ייעדה שירות זה עבור שיתוף בין שלוש שכבות של משתמשים: משתמשים ותיקים (Incumbent) , משתמשי רישיון גישה בעדיפות (PAL) ומשתמשי גישה מורשית כללית (GAA‏).
• LTE-M‏, הקיצור של LTE Cat-M1 (הנקרא לעתים CAT M) או Long-Term Evolution‏ (4G‏), קטגוריה M1. טכנולוגיה זו מאפשרת להתקני IoT מוזני-סוללות עם יחס מחזור נמוך להתחבר ישירות לרשת 4G ללא צורך בשער (Gateway‏).
• IoT‏-בפס-צר (NB-IoT‏), טכנולוגיית אלחוט בדירוג-סלולר המשתמשת ב-Orthogonal Frequency Division Multiplexing‏ (OFDM‏) בתוך מטריית 3G. זוהי יוזמה של פרויקט השותפות של הדור השלישי (3GPP‏) - הארגון שמאחורי הסטנדרטיזציה של מערכות סלולריות - כדי לתת מענה לצרכים של התקנים בעלי קצב נתונים נמוך ביותר שצריכים להתחבר לרשתות סלולריות, וגם מוזנים לעיתים קרובות על ידי סוללות.

הערה לגבי המונחים פס-רחב ורב-פסים, שכן קיימת אפשרות לבלבול ואי-בהירות. "פס-רחב" מתייחס לאנטנה עם רוחב-פס המהווה חלק ניכר מהתדר המרכזי שלה. אמנם אין הגדרה רשמית למספר הזה, אך באופן לא-פורמלי זה אומר לרוב רוחב-פס שהוא לפחות 20 עד 30 אחוז מהתדר המרכזי. לעומת זאת, "רב-פסים" פירושו אנטנה המיועדת לתמוך בשני פסי-תדרים או יותר כפי שהוגדרו בתקנים רגולטוריים; פסי-תדרים אלה יכולים להיות קרובים ביותר או רחוקים ביותר.

דוגמה קיצונית של אנטנה רבת-פסים תהיה כזו הפועלת בו-זמנית עבור שידור AM‏ (550 עד 1,550 קילו-הרץ (kHz)) ושידור FM‏ (88 עד 108 מגה-הרץ). אנטנה רבת-פסים עשויה להיות בעלת פס-רחב אך היא לא בהכרח כזו.

ללא קשר למספר, למרווח ולרוחבי הפס שבהם היא תומכת, לאנטנה רבת-פסים יש חיבור RF יחיד, למרות שפנימית היא עשויה להכיל שתי אנטנות משולבות נפרדות או יותר. בניגוד לאנטנה רחבת-פס פשוטה יותר, אנטנה רבת-פסים עשויה למעשה להיות מתוכננת עם פערים מכוונים בכיסוי ההגבר על פני רוחב-הפס שלה כדי לצמצם הפרעות בערוצים המשותפים.

אנטנה פנימית או חיצונית

תקן החיבוריות האלחוטית שעבורו משתמשים באנטנה אינו עניין של תכן האנטנה, אך התדר ורוחב הפס הם בהחלט שיקולים ההופכים את המימוש הפיזי של האנטנה להחלטה חשובה. שיקול תכנון מרכזי אחד הוא האם להשתמש באנטנה חיצונית או באנטנה המשובצת בתוך המוצר הסופי.

לאנטנות פנימיות יש את התכונות הבאות:

• הן מאפשרות מארז חלק יותר ללא חיבורים העלולים להישבר או להיתפס
• האנטנה המשובצת היא תמיד מחוברת וזמינה
• יש להם מגבלות אינהרנטיות ביחס לכיסוי, נצילות, דפוסי קרינה וקריטריוני ביצועים אחרים
• ביצועי האנטנה המשובצת יושפעו ממעגלים סמוכים, כך שהמיקום שלה נמצא בקורלציה הדוקה לגודל לוח המעגלים, הפרישה, הרכיבים והסידור הכוללני
• ידו או גופו של המשתמש עלולים לגרום לשינויים בתבנית, נצילות וביצועי האנטנה

לעומת זאת, לאנטנות חיצוניות יש את המאפיינים הבאים:

• הן מציעות יותר פוטנציאל להתאמת תבניות הקרינה, רוחב הפס וההגבר מכיוון שיש להן יותר דרגות חופש לתכנון
• הן אינן חייבות להיות מחוברות ליחידת ה-IoT/RF וניתן למקם אותן בצורה מיטבית במרחק לא גדול באמצעות כבל קואקסיאלי
• הן פחות מושפעות, או שאינן מושפעות בכלל, מההיבטים החשמליים של תכן ומארז המוצר
• הן זמינות במספר סגנונות ותצורות
• הן דורשות מחבר או כבל לחיבור, מה שיכול להיות נקודת כשל

הבחירה בין אנטנה חיצונית ופנימית נקבעת בדרך כלל על פי מספר גורמים. אלה כוללים את היישום של המוצר הסופי ואת העדפת המשתמש, תוך איזון מול הביצועים והאם האנטנה תשמש במצב נייד או קבוע. לדוגמה, סמארטפון עם אנטנה חיצונית עשוי להיחשב מסורבל. לעומת זאת, צומת IoT קבוע במקום עם אנטנה חיצונית ואולי מעט מרוחקת עשוי לספק קישוריות טובה ועקבית יותר.

יתרונות אנטנה רבת-פסים

אנטנות רבות-פסים יכולות להתאים עבור יישומים קיימים תוך שהן מובטחות-עתיד עבור שדרוגים כולל חיבוריות 5G‏. אך מדוע לשקול אנטנה כזו אם פרמטרי ההתקנה והפרטים ידועים? ישנן מספר סיבות טובות:

• אנטנה יחידה יכולה לשמש על פני משפחה של מוצרים המיועדים עבור פסי-תדרים שונים, ובכך לפשט את ניהול המלאי והרכש
• אנטנה רבת-פסים פנימית מביאה למארז קטן יותר, בעוד שאנטנה חיצונית מפחיתה את מספר מחברי האנטנה על מארז המוצר
• אנטנה רבת-פסים יכולה לשרת התקן IoT שבו שדרוג לפס-תדרים חדש כמו 5G אפשרי או צפוי, בין אם מטעמי ביצועים או יציאה משירות של פס התדרים והתקן הקיימים
• אנטנה חיצונית יחידה עבור מספר פסי-תדרים מספקת אחידות ביחס לטכניקות ההתקנה והכלים
• עבור יישומים קבועים קריטיים ובמיוחד ניידים, מקטע ה-RF של ההתקן עשוי לספק תמיכה בשני-פסים, המאפשרת להתקן לעבור באופן דינמי בין פסי-תדרים לטובת ביצועים אופטימליים באזור או בהגדרה נתונים
• המתכננים יכולים להשתמש באנטנה רבות-פסים פנימית יחידה בהתקנים שאינם קשורים זה לזה, עם היתרון של מינוף הניסיון שלהם עם מודלי אנטנות, מיקום ובעיות ייצור אפשריות

דוגמאות אנטנה רבת-פסים בעולם-האמיתי

למרות ביצועי הפס הרחב שלהן, אנטנות רבות-פסים אינן מוגבלות בגורם הצורה או בסוג הסיומת, כפי שממחישות שלוש דוגמאות.

ה-AEBC1101X-S היא אנטנת שוט (Whip) סלולרית 5G/4G/LTE באורך של 115 מילימטרים (מ"מ) ובקוטר מרבי של 19 מ"מ, המיועדת לפעולה ב-600 מגה-הרץ עד 6 גיגה-הרץ (איור 2). היא מגיעה עם מחבר SMA זכר סטנדרטי שיכול להסתובב ב-90° להרכבה ישירה על מארז המוצר (ניתן להשתמש בו גם עם כבל קואקסיאלי מאריך); קיים גם מחבר SMA בעל קוטביות הפוכה.

איור 2: אנטנת שוט (Whip) סלולרית AEBC1101X-S 5G/4G/LTE מיועדת לפעולה ב-600 מגה-הרץ עד 6 גיגה-הרץ ומגיעה עם מחבר קואקסיאלי SMA אינטגרלי עם סיבוב של 90°. (מקור התמונה: Abracon LLC)

יחס גלים עומדים מתח (VSWR) וביצועי הגבר שיא הם קבועים למדי על פני כל פס התדרים, אם כי יש הסטה בנצילות בין תחום התדרים התחתון והעליון (איור 3).

איור 3: לאנטנת שוט (Whip) סלולרית AEBC1101X-S 5G/4G/LTE יש שינויים מועטים בביצועים בין תחומי התדרים הנמוכים (600 עד 960 מגה-הרץ) והגבוהים (1,400 עד 6,000 מגה-הרץ). (מקור התמונה: Abracon LLC)

תבנית הקרינה היא מעגלית למדי על פני מלוא פס התדרים, עם כמה אונות קטנות המופיעות ב-MHz‏ 3,600 והופכות מעט בולטות יותר ב-MHz‏ 5,600 (איור 4).

איור 4‏: תבנית הקרינה X-Y עבור ה-AEBC1101X-S משתנה בין MHz‏ 3,600 ו- MHz‏ 5,600, עם הופעת כמה אונות. (מקור התמונה: Abracon LLC)

אנטנת להב 5G/4G/LTE/NB-IoT/CAT‏ AECB1102XS-3000S, גם עבור פעולה ב- MHz‏ 600‏ עד GHz‏ 6‏, היא בממדים של 115.6 מ"מ אורך ×‏ 21.7 מ"מ רוחב עם פרופיל דק ביותר של 5.8 מ"מ בלבד (איור 5). היא תוכננה עבור התקנה קלה ונוחה על משטח שטוח עם סרט דביק.

איור 5: אנטנת להב AECB1102XS-3000S 5G/4G/LTE/NBIOT/CAT, גם עבור גם עבור פעולה ב- MHz‏ 600‏ עד GHz‏ 6‏, היא אנטנה בעלת פרופיל נמוך שתוכננה עבור הרכבה על משטח שטוח פשוט על ידי שימוש עם סרט דביק. (מקור התמונה: Abracon LLC)

ביצועי ה-RF שלה דומים ל-AEBC1101X-S עם VSWR מקסימלי מתחת ל-3.5, אך הגבר שיא מעט נמוך יותר ב-2 דציבלים ביחס לרדיאטור איזוטרופי (dBi). גם תבנית הקרינה במישור X-Y ו-X-Z הוא מורכב יותר (איור 6).

איור 6‏: תבניות הקרינה X-Y ו-Y-Z עבור אנטנת להב AECB1102XS-3000S מציגות מערך אונות מורכב יותר לעומת אנטנת שוט (Whip). (מקור התמונה: Abracon LLC)

הבדל בולט בין ה-AEBC1101X-S ל-AECB1102XS-3000S הוא בסיומות הזמינות. יחידת הלהב AECB1102XS-3000S מגיעה כסטנדרט עם כבל קואקסיאלי LMR-100 של 1 מטר (המחליף את סוגי הכבלים RG174 ו-RG316) עם סיומת מחבר SMA זכר שבשימוש נרחב. עם זאת, ניתן להזמין כמעט כל אורך כבל, וסוגי מחבר מלבד SMA מוצעים גם כאפשרויות סטנדרטיות עבור גמישות חיבור (איור 7).

איור 7: הכבל הקואקסיאלי הסטנדרטי עבור ה-AECB1102XS-3000S הוא עם סיומת מחבר (SMA (M, אך מוצעות אפשרויות רבות אחרות של מחברים. (מקור התמונה: Abracon LLC)

אנטנת שבב קרמית פס-רחב MHz‏600 עד MHz‏ 6,000‏ ACR4006X היא התקן הרכבה-משטחית בגובה של 40 × 6 × 5 מ"מ בלבד. בפעולה, היא דורשת רשת תיאום אימפדנסים משרן-קבל (LC) זעירה המורכבת ממשרן של 8.2 ננו-הנרי (nH) וקבל של 3.9 פיקו-פאראד (pF) (כל אחד בגודל 0402) כדי להשיג את האימפדנס הרצוי של 50 אוהם (Ω) (איור 8‏).

איור 8‏: לאנטנת שבב קרמית פס-רחב MHz‏600 עד MHz‏ 6,000‏ ACR4006X יש חתימת-שטח של ‎40 × 6 מ"מ בלבד, והיא דורשת שני רכיבים פסיביים זעירים בלבד עבור תיאום אימפדנסים Ω‏ 50‏. (מקור התמונה: Abracon LLC)

גיליון הנתונים של ACR4006X מציין שזהו התקן של MHz‏600 עד MHz‏ 6,000‏, אך שימו לב שלגרפי הנצילות, הגבר שיא והגבר ממוצע שלה יש כמה פערים (איור 9). זה מכוון, שכן אנטנה רבת-פסים זו תוכננה וממוטבת עבור ביצועים בשלושה פסים ספציפיים בתחום זה: 600 עד 960 מגה-הרץ, 1710 עד 2690 מגה-הרץ ו-3300 עד 6,000 מגה-הרץ כדי לתמוך בהקצאות 4G, 3G ו-5G, כמו גם כמה הקצאות ספקטרום קטנות יותר.

איור 9: הגרפים של הנצילות וההגבר עבור MHz‏600 עד MHz‏ 6,000‏ של ה-ACR4006X מציגים פערים, אך אלו אינם חשובים למשתמשים בפעולה בפסי-התדרים 3G‏, 4G‏ ו-5G‏. (מקור התמונה: Abracon LLC)

מכיוון שה-ACR4006X אינו מיועד עבור מקלטי GPS, הביצועים שלו אינם במפרט התדרים של ספקי תקשורת GPS של 1575.42 מגה-הרץ (L1 Carrier‏) ו-1227.6 מגה-הרץ (L2 carrier‏).

תבנית קרינת X-Y של ה-ACR4006X היא גם פונקציה של התדר, אך היא עדיין שומרת על צורה עגולה בערך על פני פס-התדרים הרחב שלה, עם רק כמה נפילות הגבר מתונות ב-90° ו-270° בתחום התדרים התחתון שלו (איור 10).

איור 10: תבנית קרינת ה-X-Y של אנטנת השבב ACR4006X היא עגולה בערך, אך עם נפילות הגבר תלויות-תדר מסוימות ב-90° ו-270°. (מקור התמונה: Abracon LLC)

הערכת ביצועי האנטנה מתחילה בגיליון הנתונים, אחר-כך לרוב אימות באמצעות חדר אל-הד, ובסופו של דבר בדיקות שטח עם המוצר הסופי. הגורמים המשפיעים על הביצועים בפועל של האנטנה החיצונית הם המארז, הגוף והידיים של המשתמש עבור יחידות ניידות, ומיקום ומקום האנטנה. במידה רבה הם אינם תלויים בפרישת לוח המעגלים הפנימי של המוצר.

לעומת זאת, הביצועים של יחידה פנימית כגון אנטנת שבב ACR4006X מושפעים מרכיבים סמוכים ומלוח המעגלים המודפסים. מסיבה זו, Abracon מציעה את לוח ההערכה ACR4006X-EVB כדי לספק אמצעי להקל על הערכה הנדסית של אנטנת שבב זו.

הלוח משמש בשילוב עם אנאלייזר רשת וקטורים (VNA‏). לאחר כיול ראשוני של התצורה - שלב סטנדרטי ברוב בדיקות ה-VNA - ביצועי האנטנה מוערכים דרך היציאה המכוילת של ה-VNA באמצעות מחבר SMA על הלוח.

גודל לוח ההערכה הוא 120 × 45 מ"מ והמידות שלו הן במדויק עבור מיקום נכון של אנטנת השבב. הוא כולל את אזור ה- Clearance‏ מתכת/הארקה בגודל 45 × 13 מ"מ סביב האנטנה הנדרש עבור פעולה תקינה (איור 11).

איור 11: הממדים של לוח ההערכה ACR4006X-EVB הם 120 × 45 מ"מ בלבד והוא מקל על ההערכה של אנטנת השבב באמצעות מחבר ה-SMA שלו; גיליון הנתונים מציג אזורי פרישה קריטיים וממדים. (מקור התמונה: Abracon LLC)

סיכום

אנטנות רבות-פסים עונות על האתגרים של התקני IoT, במיוחד אלה הצריכים לתמוך כעת בפס-תדרים יחיד תוך מתן מסלול שדרוג חלק יותר עבור תקנים חדשים יותר כמו 5G. הם גם מאפשרים למערכת לתמוך במספר פסי-תדרים כדי למטב את הביצועים באזורים שבהם החיבוריות אינה מובטחת עם פס-תדרים יחיד. כפי שמוצג, האנטנות הפנימיות המותקנות במעגלים של Abracon מאפשרות מארז אלגנטי יותר, בעוד שהאנטנות החיצוניות שלה המשתמשות במחבר RF אינטגרלי או בחיבור כבל קואקסיאלי מציעות גמישות במיקום עבור מסלול אותות אופטימלי.