השתמשו באנטנות רבות-פסים כדי לפתור את אתגר החיבוריות הניידת

ביחד עם סמארטפונים והתקני אינטרנט של דברים (IoT), מניע מרכזי נוסף עבור חיבוריות אלחוטית ניידת הם יישומי תחבורה, כולל רכבות, משאיות ומעקב נכסים. יישומים אלו מציבים סט ייחודי של דרישות משמעותיות לאנטנת המערכת כגון רעידות, זעזועים, טמפרטורות קיצוניות, גשם, לחות והצורך לפעול על פני רוחב-פס רחב ואפילו מספר פסים, והכל תוך מתן ביצועים עקביים.

אמנם ניתן לתכנן ולבנות אנטנה מתאימה, אך כמעט בכל היישומים המאתגרים הגיוני יותר להשתמש ביחידה סטנדרטית מן-המדף מתוכננת כהלכה, בנויה היטב ועם מלוא המאפיינים. גישה זו מפחיתה את העלויות ומקצרת את זמן הפיתוח תוך הגברת רמת הביטחון בתכן הסופי.

מאמר זה בוחן את הבעיות הקשורות לתכנון אנטנות לתחבורה. לאחר מכן הוא מציג שתי אנטנות רבות-פסים של TE Connectivity שנועדו להרכבה משטחית על תיבה סגורה, כולל "קופסה" בסיסית וייתכן גם על רכב נע חשוף.

היישומים דוחפים את המימושים

האנטנה היא המתמר החיוני בין מעגל אלקטרוני לבין שדות אלקטרומגנטיים (EM) במרחב הפתוח, ולכן היא לרוב האלמנט החשוף ביותר בתכן. אך היא עדיין חייבת לספק את הביצועים החשמליים וה-RF הרצויים למרות תנאי הסביבה הקשים, תוך שימוש בגורם צורה התואם לתכן המערכת הכולל.

עבור מערכות תובלה ובעיקר רכבות נוסעים מהירות, האנטנה חייבת להשתלב בקלות במארז אווירודינמי שגם מהווה התנגדות מינימלית לרוח וגם יהיה מוגן מפני תנאי סביבה קשים (איור 1). אילוצים דומים חלים על מצבים של מעקב נכסים שבהם האנטנה חייבת להיות חשופה לקליטת אותות מערכת לווייני ניווט גלובלית (GNSS).

איור 1: חיבוריות ניידת באמצעות תקנים ופסי-תדרים שונים מהווה כיום ציפייה בהתקנות ניידות במהירות גבוהה כגון רכבות, המתמודדות עם אתגרים עקב התנגדות הרוח ועמידות סביבתית. (מקור התמונה: TE Connectivity)

האנטנה האופטימלית היא שילוב קפדני של מאפיינים ספציפיים ליישום, כולל תבניות קרינה רצויות, תיאום אימפדנסים נכון, יחס גלים עומדים מתח (VSWR) נמוך, שלמות מכנית, התאמה למארז וקלות חיבורים חשמליים. יש גם צורך במקרים רבים לשפר את נתיב האותות ולמקסם את יחס האות לרעש (SNR) של הקצה-הקדמי באמצעות שימוש באנטנה אקטיבית עם מגבר עם רעש נמוך (LNA) משולב.

כמו עם כל הרכיבים, ישנם כמה פרמטרים ברמה העליונה המשמשים לאפיון של כמעט כל תכני והתקנות האנטנות, כמו גם פרמטרים אחרים העשויים להיות קריטיים יותר או פחות במצב נתון. עבור האנטנות, תבניות הקרינה והביצועים על פני פס-התדרים המוגדר הם שיקולי מפתח.

מימוש עקרונות אנטנה

כיווניות אנטנות המשמשות לתחבורה ומעקב נכסים מהווה אתגר מכיוון שהיא אקראית ומשתנה, כך שחשוב שתהיה להן תבנית כלל-כיוונית עקבית עבור המבט העליון והצדדי על פני פס-התדרים המוגדר.

לדוגמה, האנטנה הכפולה M2M MiMo LTE‏ 1-2309605-1‏ מבית TE Connectivity‏ מתוכננת עבור פסי-התדרים 698 עד 960 מגה-הרץ (MHz) ו- 1710 עד 3800 מגה-הרץ גם יחד ומיועדות עבור 2G‏, 3G‏, 4G‏ סלולר, GSM ו- LTE‏ (איור 2‏). אנטנה יחידה יכולה להיות יעילה עבור רשימת תקנים זו מכיוון שהיא אגנוסטית ביחס לפורמט האות הספציפי שהיא מעבירה או לתקן שבו היא תומכת; התכן שלה מוגדר בעיקר על ידי התדר, רוחב הפס וההספק.

איור 2:‏ ה- TE Connectivity 1-2309605-1 הוא מודול יחיד הכולל שתי אנטנות עצמאיות, האחת עבור פעולה ב- 698 עד 960 מגה-הרץ והשנייה עבור פעולה ב- 1710 עד 3800 מגה-הרץ. (מקור התמונה: TE Connectivity)

שימו לב שאנטנה "כפולה" אינה זהה לאנטנת "שני פסי-תדרים". לאנטנה כפולה, כגון 1-2309605-1, יש שתי אנטנות עצמאיות במארז יחיד ולכל אחת יש הזנה משלה; יחידת שני פסי-תדרים היא אנטנה אחת עם הזנה אחת, שנועדה לתמוך בשניים (או יותר) פסים.

באנטנת הפס הנמוך יותר של ה-1-2309605-1, תבנית הקרינה שלה עבור הן הכיווניות העליונה והן הכיווניות הצידית היא אחידה על פני רוחב הפס, מהקצה התחתון בסביבות 700 מגה-הרץ ועד לתדרים העליונים, בכ-900 מגה-הרץ. (איור 3).

איור 3‏: תבניות ההגבר הצידה (משמאל) ולמעלה (מימין) של ה- 1-2309605-1 ב- 700‏, 800 ו- 900 מגה-הרץ (השורות העליונה, האמצעית והתחתונה, בהתאמה) מציגות תבנית קרינה אחידות למדי. (חומר מקור התמונה: TE Connectivity)

ב-700 מגה-הרץ (הקצה הנמוך של פס התדרים), ההגבר בדציבלים ביחס לאנטנה איזוטרופית (dBi) - מדד סטנדרטי המציין את כיווניות האנטנה - הוא רק dBi‏ 1.5, המייצג תבנית קרינה אחידה למדי. אחידות זו תורמת לביצועים עקביים, ללא קשר לכיווניות האנטנה. יתרה מכך, תבנית הקרינה עבור תדר הקצה הגבוה יותר של 900 מגה-הרץ גם היא די אחידה עם הגבר של dBi‏ 4.5 בלבד.

פרמטר אנטנה חשוב נוסף הוא ה- VSWR, המוגדר פורמלית כיחס בין המתח המקסימלי למינימלי, או היחס בין הגלים העומדים של מתח משודר ומוחזר בקו שידור ללא-הפסדים. בתרחיש אידיאלי, ה- VSWR יהיה 1:1. למרות שאת זה קשה לרוב להשיג, מקובל בדרך כלל לעבוד עם VSWR של ספרה אחת נמוכה.

עבור האנטנה הכפולה 1-2309605-1 M2M MiMo LTE, היכולה לטפל בעד 20 וואט של הספק שידור, ה-VSWR המקסימלי הנמדד עם כבל RG174 של 3 מטר הוא סביב 3:1 בקצה אחד, וקרוב יותר ל 1.5:1 במרבית פסי-תדרי הפעולה שלה (איור 4). באופן כללי, זה נמוך מספיק עבור רבים מהיישומים להם היא מיועדת.

איור 4‏: ה- VSWR (הציר האנכי) של האנטנה הכפולה ‎1-2309605-1 M2M MiMo LTE, הנמדד עם כבל RG174 של 3 מטר, מראה ערך נמוך על-פני מלוא תחום התדרים האקטיביים (ציר X‏). (מקור התמונה: TE Connectivity)

באיור 4, ירוק הוא אלמנט התדר הנמוך יותר 1‏#, אדום הוא אלמנט התדר הגבוה יותר 2‏#, ושחור הוא עבור אלמנטים #1 ו-#2 במרחב חופשי, בעוד שכחול הוא עבור אלמנטים #1 ו-#2 במישור הארקה של- 400 × 400 מילימטר (מ"מ).

אנטנות ממוקמות-יחד

אפשר למקם-יחד שתי אנטנות נפרדות או יותר כדי לכסות מספר פסי-תדרים. עם זאת, זה מוביל למספר בעיות אפשריות. ראשית, יש את הבעיה הברורה של המקום וחומרת ההרכבה הנדרשים על גבי פאנל או משטח אחר, כמו גם עלויות ההתקנה הנלוות. שנית, יש חשש לאינטראקציה EM בין אנטנות אשר תשפיעה על התבניות והביצועים שלהן; וזה מגביל את האופן בו ניתן למקם אותן אחת ביחס לשנייה. אינטראקציה זו נמדדת כבידוד אנטנה, המגדירה באיזו מידה אנטנה תקלוט קרינה מאנטנה אחרת.

הפתרון לבעיה זו הוא להשתמש ביחידת אנטנה אחת המשלבת מספר אנטנות בתוך בית או מארז יחיד. מבחינה מכנית זה מקטין את הגודל הכולל, מפשט את ההתקנה ואת ניתוב כבל האנטנה, ומציג מראה חיצוני חלק.

מבחינה חשמלית המשמעות היא שניתן למדוד ולציין מראש את הבידוד בין האנטנות, ובכך להקטין למינימום את החששות לגבי אינטראקציה בלתי צפויה. עבור האנטנה הכפולה 1-2309605-1‎ M2M MiMo LTE, הבידוד הוא לפחות dB‏ 15, והוא גדל לכיוון המרכז של שני פסי-התדרים שהיחידה משרתת (איור 5).

איור 5: הבידוד (ציר y‏, dB‏) בין שתי האנטנות בתוך מודול האנטנה הכפולה ‎2309605-1 M2M MiMo LTE הוא dB‏ 15 או טוב יותר, ונמדד כפונקציה של התדר (ציר x, מגה-הרץ). (מקור התמונה: TE Connectivity)

פונקציית אנטנת קליטה אקטיבית

בנוסף לשני פסי-התדרים המכוסים על ידי האנטנה הכפולה 1-2309605-1, יישומים רבים כמו מעקב נכסים צריכים לקבל גם אותות ממערכות GPS (ארה"ב), Galileo (אירופה) ו- GNSS‏ BeiDou (סין) לצורך קביעת מיקום או תזמון מידע. כדי לפשט משימה זו ולהימנע מהצורך באנטנה חיצונית נפרדת נוספת, TE מציעה את ה- 1-2309646-1. הוא מוסיף אנטנה שלישית לקליטה-בלבד עבור אותות GNSS בין 1562 עד 1612 מגה-הרץ לשתי האנטנות של יחידת האנטנה הכפולה.

עם זאת, הצורך בקליטת אותות GNSS מוסיף אתגר נוסף עבור מתכנני המערכת המחזיר ליסודות של פונקציות השידור לעומת הקליטה. כשהיא משמשת עבור שידור, האנטנה וקו ההזנה שלה נמצאים במצב דטרמיניסטי. היא לוקחת את האות הידוע, המבוקר והמוגדר היטב ממגבר ההספק של המשדר (PA) ומקרינה אותו. יש חשש קל בלבד לגבי רעש פנימי באותו אות, הפרעות בתוך-הפס או אותות מחוץ-לפס בין ה-PA והאנטנה.

בשל עקרון ההדדיות החל על כל האנטנות, ניתן להשתמש באותה אנטנה פיזית המשמשת עבור שידור גם עבור קליטה. עם זאת, תנאי הפעולה עבור הקליטה שונים לגמרי מאשר אלו עבור השידור. מכיוון שהאנטנה מנסה לקלוט אות לא-ידוע בנוכחות הפרעות ורעש בתוך-הפס ואפילו מחוץ-לפס, האות הנקלט הרצוי אינו דטרמיניסטי מכיוון שיש לו מאפיינים אקראיים רבים.

בנוסף, עוצמת האות הנקלט נמוכה (בסדר גודל של מיקרו-וולט עד כמה מילי-וולט) וגם ה-SNR נמוך. עבור אותות GNSS, הספק האות הנקלט הוא בדרך כלל בין dB‏ 127‏- ל- dB‏ 25‏ ביחס למיליוואט אחד (dBm), בעוד שה-SNR הוא בדרך כלל בין dB‏ 10‏ ל- dB‏ 20‏. אות השברירי זה יונחת עקב הפסדים בכבל בין האנטנה למקלט הקצה-הקדמי, וגם ה-SNR שלו יוחלש על ידי רעשים תרמיים ואחרים בכבל השידור שהם בלתי-נמנעים.

מסיבות אלו ה-1-2309646-1 משלב מגבר LNA כמאפיין נוסף עבור אנטנת ה-GNSS השלישית שלו לקליטה-בלבד. ה-LNA מספק הגבר של dB‏ 42 עבור אותות GNSS, ובכך מגביר משמעותית את עוצמת האות הנקלט. כדי לפשט את השימוש ב-LNA, הוא מקבל את הספקת-הכוח שלו (3 עד 5 וולט DC, ללא יותר מ-20 מיליאמפר (mA)) באמצעות הכבל הקואקסיאלי של אות ה-RF המוגבר באמצעות טכניקת סופר-אימפוזיציה מבוססת היטב.

הספקת-כוח DC נשלחת על הכבל בין יחידת המקלט ל-LNB (איור 6). הספקת-כוח DC עבור ה-LNA‏ (V1) נחסמת מלהגיע ליחידת ראש הרדיו (קצה-קדמי) על ידי קבלים קטנים בטור (C1 ו-C2). קבלים אלו אכן מאפשרים לאות ה-RF המוגבר מהאנטנה (ANT1) לעבור ליחידת ראש הרדיו (OUT). במקביל, אות ה-RF המוגבר נחסם מלחזור להספקת-הכוח V1 על ידי משרנים (משנקים) בטור L1 ו-L2. בדרך זו, מתח DC ל-LNA ו-RF מוגבר מה-LNA ליחידת ראש הרדיו יכולים לחלוק את אותו הכבל הקואקסיאלי.

איור 6: ניתן לבצע סופר-אימפוזיציה של הספקת-הכוח DC ל- LNA של האנטנה על הכבל הנושא את יציאת האנטנה/LNA באמצעות סידור חכם של משרנים וקבלים המפרידים ומבודדים את הספקת-הכוח DC ואת אות ה-RF בכל קצה. (מקור התמונה: Electronics Stack Exchange)

יצירת החיבור הפיזי

כל אנטנה או מכלל של רכיבי אנטנה צריך להיות עם דרך אמינה, נוחה ומאובטחת חשמלית ומכנית לחיבור וניתוק מהקצה-קדמי של הרדיו שהם משרתים. יתר על כן, מכלל האנטנה השלם צריך להיות מוגן מהסביבה ולהיות קל להרכבה עם השפעה מינימלית על משטח ההרכבה.

כדי לעמוד ביעדים אלו, כל פס של ה- 1-2309605-1 עם שני-הפסים וה- 1-2309646-1 עם שלושת-הפסים מצויד בכבל קואקסיאלי RG-174 באורך 3 מטר, עם סיומת תקע SMA סטנדרטי (איור 7). כתוצאה מכך, חיבור או ניתוק של אחת או יותר מהאנטנות הוא פשוט וניתן לבצע אותו בקלות במפעל במהלך הרכבת המערכת, או בשטח כתוספת.

איור 7: לכל אנטנה בתוך ה-1-2309605-1 ו-1-2309646-1 יש כבל קואקסיאלי RG-174 משלה עם סיומת תקע SMA כדי לפשט את ההתקנה, החיבור, הבדיקה והפירוק במידת הצורך. (מקור התמונה: TE Connectivity)

יתר על כן, החיבור של מודול רב-אנטנות למשטח המערכת מוקל על ידי שימוש במוט הרכבה פנימי יחיד של 18 מ"מ, בתוספת רפידה דביקה אקרילית סביב הקצה התחתון של מארז האנטנה. הצמדת האנטנה היא פעולה מהירה שאינה מותירה חומרה חשופה לחלודה, להתרופפות או למומנט הידוק לא מתאים.

מארז האנטנות הללו ממוטב עבור יישומי תנועה ניידים במהירות גבוהה. היחידה החלקה היא ברוחב של 45 מ"מ בלבד ואורך 150 מ"מ עם קצוות מעוגלים (בדומה ל"סנפיר הכריש" על גג מכוניות) כדי להקטין למינימום את מקדם הגרר והתנגדות הרוח. יתר על כן, החומר מיוצב-UV של המארז מבטיח שחשיפה לאור השמש לא תחליש את המארז במשך הזמן.

סיכום

חיבוריות אלחוטית ניידת רבת-פסים במהירות גבוהה עבור תחבורה דורשת מכלל אנטנה שיכול לעמוד ביעדים חשמליים, סביבתיים ומכניים תובעניים. מודולים בעלי שתי אנטנות ושלוש אנטנות מבית TE Connectivity מספקים אנטנות עם רוחב-פס צר, רוחב-פס רחב וכן אפשרות של פס GNSS ביחד עם LNA פנימי עבור האחרון. יחידות אלה מצוידות בכבלים ומחברים קואקסיאליים נפרדים עבור כל אנטנה, בתוספת סידור פשוט להרכבה על פני השטח או הפאנל כדי להקל על ההתקנה ולהניק עמידות סביבתית קריטית.

תוכן נלווה

1. TE Connectivity, "מוצרי אנטנות"
2. DigiKey, "מעבר לחוטים: האנטנות מתפתחות ומתאימות עבור עמידה בדרישות אלחוט תובעניות"
3. DigiKey, "מדוע LNA טוב הוא המפתח לקצה-קדמי אנטנה מעשי"