Come servire le reti IoT wireless legacy e 5G utilizzando antenne a banda larga

Al di là degli smartphone di tipo consumer, le connessioni wireless basate sul 5G si stanno espandendo a diverse applicazioni embedded come l'Internet delle cose (IoT), le connessioni macchina-macchina (MTM), la smart grid, i distributori automatici, i gateway, i router, la sicurezza e la connettività del monitoraggio remoto. Tuttavia, questo passaggio al 5G non avverrà da un giorno all'altro. Questo crea un bisogno di antenne sul front-end della connessione wireless per soddisfare il 5G, ma anche i protocolli legacy 2G, 3G e altri non 5G che rimarranno in vigore per gli anni a venire nonostante il proliferare del 5G.

Per queste ragioni, gli ingegneri devono progettare prodotti per bande oltre a quelle che supportano gli standard 5G. Anche se il front-end RF interno o l'amplificatore di potenza differisce per ogni banda, ci sono vantaggi nell'avere una singola antenna a banda larga per servire sia le bande 5G che quelle legacy.

Questo articolo esamina le antenne a banda larga che servono lo spettro 5G a banda più bassa così come le bande legacy, prendendo in esempio alcune unità di Abracon LLC. L'articolo mostra come l'uso di questo tipo di antenna, sia come unità esterne visibili che interne embedded, può facilitare la progettazione, semplificare la distinta base (BOM) e semplificare l'installazione di un aggiornamento al 5G, se necessario.

Partiamo dalle bande regolamentari

Le antenne sono l'ultimo elemento del percorso del segnale di trasmissione RF e il primo nel percorso complementare del ricevitore. La funzione dell'antenna è di essere un trasduttore tra il mondo dei circuiti di corrente e tensione e il mondo RF di energia irradiata e campi elettromagnetici.

Quando si seleziona un'antenna per l'applicazione finale, è importante tenere a mente che l'antenna funziona senza considerare il tipo di modulazione o lo standard per cui viene utilizzata. Nessuno dei parametri utilizzati per la selezione dell'antenna - come la frequenza centrale, la larghezza di banda, il guadagno, la potenza nominale o le dimensioni fisiche - sono una funzione del fatto che l'antenna venga utilizzata per segnali a modulazione di ampiezza, frequenza o fase (AM, FM, PM) o per formati di segnale 3G, 4G, 5G o anche proprietari.

Naturalmente, i progetti di sistema per le applicazioni emergenti che supportano gli standard 5G stanno ricevendo molta attenzione, specialmente per le bande 5G sotto i 6 GHz, dove risiede la maggior parte dell'attività 5G. È importante distinguere tra lo standard wireless che il sistema supporta e la frequenza e lo spettro utilizzati che determinano la selezione dell'antenna.

I nuovi standard 5G fanno uso di segmenti di spettro precedentemente non disponibili, mentre sfruttano anche parti dello spettro già in uso incorporando schemi di modulazione di livello superiore per un maggiore throughput. Così, mentre il supporto di uno standard esistente da parte del settore e degli operatori può essere gradualmente eliminato (o "fatto tramontare") come il 3G nel 2022, alcune parti dello spettro utilizzato dal 3G saranno sempre utilizzate per il 4G e anche per il 5G (Figura 1).

Figura 1: Le frequenze tra 600 e 6000 MHz supportano più standard come 3G, 4G e 5G, con alcune sovrapposizioni di spettro. (Immagine per gentile concessione di Abracon LLC)

Ciò significa che le antenne che supportano le bande 3G o 4G possono essere ancora valide anche per il 5G, e viceversa. Lo standard può essere eliminato ma la sua antenna no, e la compatibilità fronte/retro dell'antenna è possibile. In questi casi, il riutilizzo dell'antenna che supporta più standard e bande è la soluzione spesso più desiderabile.

Altri importanti standard nello spettro RF da 600 MHz a 6 GHz includono:

• Servizio radio in banda larga cittadina (CBRS), un segmento leggermente regolamentato di 150 MHz nel campo da 3550 MHz a 3700 MHz (da 3,5 GHz a 3,7 GHz). Negli Stati Uniti, la Federal Communications Commission (FCC) ha designato questo servizio per la condivisione tra tre livelli di utenti: utenti esistenti, utenti con licenza di accesso prioritario (PAL) e utenti con accesso generale autorizzato (GAA).
• LTE-M, l'abbreviazione di LTE Cat-M1 (spesso chiamato CAT M) o Long-Term Evolution (4G), categoria M1. Questa tecnologia permette ai dispositivi IoT a basso ciclo di lavoro e alimentati a batteria di connettersi direttamente a una rete 4G senza gateway.
• Narrowband-IoT (NB-IoT), è una tecnologia wireless di tipo cellulare che utilizza il multiplexing a divisione di frequenza ortogonale (OFDM) nell'ambito del 3G. È un'iniziativa del Third Generation Partnership Project (3GPP) - l'organizzazione dietro la standardizzazione dei sistemi cellulari - per affrontare le esigenze dei dispositivi a bassissima velocità di dati che devono connettersi alle reti mobili, spesso alimentati a batteria.

Una nota sulla terminologia a banda larga e multibanda, per eliminare il rischio di confusione e ambiguità. "Banda larga" si riferisce a un'antenna con una larghezza di banda pari a una frazione significativa della sua frequenza centrale. Sebbene non vi sia una definizione formale di questo valore, a livello informale di solito significa una larghezza di banda almeno dal 20 al 30% della frequenza centrale. Al contrario, "multibanda" significa un'antenna progettata per supportare due o più bande secondo quanto definito dagli standard normativi; queste bande possono essere molto vicine o molto lontane tra loro.

Un esempio estremo di un'antenna multibanda è quella che funziona simultaneamente per la trasmissione AM (da 550 a 1550 kHz) e FM (da 88 a 108 MHz). Un'antenna multibanda può essere a banda larga ma non lo è necessariamente.

Indipendentemente dal valore, dalla spaziatura e dalle larghezze di banda che supporta, un'antenna multibanda ha una singola connessione RF, anche se internamente può comprendere due o più antenne distinte ma combinate. A differenza di una più semplice antenna a banda larga, un'antenna multibanda può essere progettata consapevolmente con vuoti nella copertura del guadagno attraverso la sua larghezza di banda, per minimizzare l'interferenza reciproca tra i canali.

Antenna interna o esterna

Lo standard di connettività wireless per il quale viene utilizzata l'antenna non è un problema di progettazione, ma la frequenza e la larghezza di banda sono sicuramente considerazioni che rendono l'implementazione fisica dell'antenna una decisione importante. Una grande considerazione progettuale è se usare un'antenna esterna o una incorporata nel prodotto finale.

Le antenne interne hanno questi attributi:

• Assicurano un aspetto più elegante al contenitore, senza attacchi esterni che possono rompersi o impigliarsi
• Un'antenna embedded è sempre connessa e disponibile
• Hanno limitazioni intrinseche per quanto riguarda la copertura, l'efficienza, la distribuzione dell'irradiazione e altri criteri prestazionali.
• Le prestazioni dell'antenna embedded saranno influenzate dai circuiti adiacenti, quindi il suo posizionamento è strettamente correlato alle dimensioni del circuito, al layout, ai componenti e alla disposizione generale
• La mano o il corpo dell'utente possono indurre cambiamenti nell'antenna, nell'efficienza e nelle prestazioni

Al contrario, le antenne esterne possiedono queste caratteristiche:

• Offrono più potenziale per personalizzare la distribuzione dell'irradiazione, la larghezza di banda e il guadagno, poiché hanno più gradi di libertà di progettazione.
• Non devono essere montate sull'unità IoT/RF e possono essere collocate in modo ottimale a una distanza modesta utilizzando un cavo coassiale
• Sono meno influenzate, o non lo sono affatto, dagli aspetti elettrici e dal confezionamento del prodotto
• Sono disponibili in diversi stili e configurazioni
• Richiedono un connettore o un cavo per il fissaggio, che può essere un punto di rottura

La scelta tra un'antenna esterna e una interna è di solito presa alla luce di vari fattori. Questi includono l'applicazione del prodotto finale e le preferenze dell'utente, controbilanciate dalle prestazioni e dalla finalità di utilizzo, se mobile o fissa. Ad esempio, uno smartphone con un'antenna esterna potrebbe essere considerato scomodo. Al contrario, un nodo IoT fisso con un'antenna esterna e forse leggermente remota potrebbe fornire una connettività migliore e più affidabile.

Vantaggi di un'antenna multibanda

Le antenne multibanda possono soddisfare le applicazioni esistenti e rendere i progetti a prova di futuro per gli aggiornamenti, compresa la connettività 5G. Ma perché considerare un'antenna del genere se i parametri di installazione e le specifiche sono noti? Ci sono diverse buone ragioni:

• Una singola antenna può essere utilizzata in una famiglia di prodotti che puntano a bande diverse, semplificando così la gestione delle scorte e gli acquisti
• Un'antenna interna multibanda si traduce in un contenitore più piccolo, mentre una esterna riduce il numero di connettori sull'involucro del prodotto
• L'antenna multibanda può servire un dispositivo IoT quando è previsto un aggiornamento a una nuova banda come il 5G, che sia per aumentarne le prestazioni o per l'obsolescenza della banda esistente
• Una singola antenna esterna per più bande consente di condividere le medesime tecniche e attrezzi di installazione
• Per le applicazioni critiche fisse e soprattutto mobili, la sezione RF del dispositivo può fornire il supporto dual-band, consentendo al dispositivo di passare dinamicamente tra le bande per prestazioni ottimali in una data regione o località
• I progettisti possono usare una singola antenna interna multibanda in dispositivi non correlati, ma faticano meno se sfruttano la loro esperienza con la modellazione, il posizionamento e i possibili problemi di produzione dell'antenna

Esempi di antenne multibanda nel mondo reale

Nonostante le loro prestazioni a banda larga, le antenne multibanda non sono limitate nel fattore di forma o nel tipo di terminazione, come illustrano tre esempi.

AEBC1101X-S è un'antenna a frusta per cellulari 5G/4G/LTE che misura 115 mm di lunghezza con un diametro massimo di 19 mm, progettata per il funzionamento da 600 MHz a 6 GHz (Figura 2). Viene fornita con un connettore SMA maschio standard che può ruotare di 90° per il montaggio diretto sull'involucro del prodotto (può anche essere usata con un cavo coassiale estensibile); è disponibile anche un connettore SMA a polarità inversa.

Figura 2: L'antenna a frusta cellulare 5G/4G/LTE AEBC1101X-S è progettata per il funzionamento da 600 MHz a 6 GHz ed è dotata di un connettore coassiale SMA integrale con rotazione a 90°. (Immagine per gentile concessione di Abracon LLC)

Il suo rapporto di onda stazionaria (ROS) in tensione e le prestazioni di guadagno di picco sono abbastanza costanti su tutta la banda, anche se c'è una differenza di efficienza tra i campi di frequenza inferiore e superiore (Figura 3).

Figura 3: L'antenna a frusta cellulare 5G/4G/LTE AEBC1101X-S presenta minimi cambiamenti di prestazioni tra il campo di fascia bassa (600 a 960 MHz) e alta (1400 a 6000 MHz). (Immagine per gentile concessione di Abracon LLC)

La distribuzione dell'irradiazione è abbastanza circolare su tutta la banda, con alcuni piccoli lobi emergenti a 3600 MHz che diventano un po' più evidenti a 5600 MHz (Figura 4).

Figura 4: La distribuzione dell'irradiazione X-Y per AEBC1101X-S cambia tra 3600 e 5600 MHz, con la comparsa di alcuni lobi. (Immagine per gentile concessione di Abracon LLC)

L'antenna a lama 5G/4G/LTE/NB-IoT/CAT AECB1102XS-3000S, anch'essa per il funzionamento da 600 MHz a 6 GHz, misura 115,6 mm di lunghezza × 21,7 mm di larghezza con un profilo molto sottile di soli 5,8 mm (Figura 5). È progettata per l'installazione facile e pratica con nastro adesivo su una superficie piatta.

Figura 5: L'antenna a lama 5G/4G/LTE/NBIOT/CAT AECB1102XS-3000S, anch'essa per 600 MHz a 6 GHz, è un'antenna a profilo ribassato progettata per essere montata su una superficie piatta semplicemente con del nastro adesivo. (Immagine per gentile concessione di Abracon LLC)

Le sue prestazioni RF sono simili a quelle del modello AEBC1101X-S con una ROS in tensione massima inferiore a 3,5, ma il guadagno di picco è leggermente inferiore a 2 decibel rispetto a un radiatore isotropo (dBi). Anche la distribuzione dell'irradiazione nel piano X-Y e X-Z è più complessa (Figura 6).

Figura 6: La distribuzione dell'irradiazione X-Z e Y-Z per l'antenna a lama AECB1102XS-3000S mostra un insieme più complesso di lobi rispetto all'antenna a frusta. (Immagine per gentile concessione di Abracon LLC)

Una notevole differenza tra AEBC1101X-S e AECB1102XS-3000S è nelle terminazioni disponibili. L'unità a lama AECB1102XS-3000S è fornita di serie con un cavo coassiale LMR-100 da 1 m (che sostituisce i tipi di cavo RG174 e RG316) terminato con il diffuso connettore SMA maschio. Tuttavia, si può ordinare il cavo in pressoché qualsiasi lunghezza e sono offerti come opzioni standard anche altri tipi di connettore oltre a SMA, per la flessibilità di collegamento (Figura 7).

Figura 7: Il cavo coassiale standard per AECB1102XS-3000S è terminato con un connettore SMA (M) ma sono offerte molte altre scelte. (Immagine per gentile concessione di Abracon LLC)

L'antenna in chip ceramico a banda larga da 600 a 6000 MHz ACR4006X è un dispositivo a montaggio superficiale che misura solo 40 × 6 × 5 mm di altezza. Quando è in funzione, richiede una minima rete di adattamento di impedenza induttore-condensatore (LC) che consiste in un induttore da 8,2 nH e un condensatore da 3,9 pF (ciascuno di formato 0402) per ottenere l'impedenza desiderata di 50 Ω (Figura 8).

Figura 8: L'antenna in chip ceramico a banda larga da 600 a 6000 MHz ACR4006X ha un ingombro di soli 40 × 6 mm e richiede solo due piccoli componenti passivi per l'adattamento di impedenza a 50 Ω. (Immagine per gentile concessione di Abracon LLC)

La scheda tecnica ACR4006X indica che è un dispositivo da 600 a 6000 MHz, ma si noti che i grafici di efficienza, guadagno di picco e guadagno medio hanno alcuni vuoti (Figura 9). Questo è intenzionale, in quanto questa antenna multibanda è progettata e ottimizzata per le prestazioni in tre bande specifiche all'interno di quel campo: da 600 a 960 MHz, da 1710 a 2690 MHz e da 3300 a 6000 MHz per supportare le allocazioni 3G, 4G e 5G, così come alcune allocazioni di spettro più piccole.

Figura 9: I grafici di efficienza e guadagno per ACR4006X da 600 a 6000 MHz mostrano alcuni vuoti, ma di minima importanza per gli utenti in quanto non rientrano nelle bande operative 3G, 4G e 5G. (Immagine per gentile concessione di Abracon LLC)

Poiché ACR4006X non è destinata ai ricevitori GPS, le sue prestazioni non sono specificate alle frequenze portanti GPS di 1575,42 MHz (portante L1) e 1227,6 MHz (portante L2).

La distribuzione dell'irradiazione X-Y di ACR4006X è anche una funzione della frequenza, ma mantiene ancora una forma approssimativamente circolare in tutta la sua ampia banda, con solo alcune modeste cadute di guadagno a 90° e 270° nel campo di frequenza più basso (Figura 10).

Figura 10: La distribuzione dell'irradiazione X-Y dell'antenna in chip ACR4006X è approssimativamente circolare ma con alcuni cali di guadagno dipendenti dalla frequenza a 90° e 270°. (Immagine per gentile concessione di Abracon LLC)

La valutazione delle prestazioni di un'antenna inizia con la scheda tecnica, spesso seguita da una conferma in camera anecoica e infine dai test sul campo con il prodotto finale. I fattori che influenzano le prestazioni effettive dell'antenna esterna sono l'involucro, il corpo dell'utente e le mani per le unità mobili, la posizione e il posizionamento dell'antenna. È ampiamente indipendente dal layout del circuito interno del prodotto.

Al contrario, le prestazioni di un'unità interna come l'antenna in chip ACR4006X sono influenzate dai componenti adiacenti e dalla scheda CS. Per questo motivo, Abracon offre la scheda di valutazione ACR4006X-EVB per facilitare la valutazione tecnica di questa antenna in chip.

La scheda viene utilizzata insieme a un analizzatore di rete vettoriale (VNA). Dopo la calibrazione iniziale della configurazione - un passo standard nella maggior parte dei test VNA - le prestazioni dell'antenna sono valutate attraverso la porta calibrata del VNA mediante il connettore SMA sulla scheda.

La scheda di valutazione misura 120 × 45 mm ed è esattamente dimensionata per il corretto posizionamento dell'antenna in chip. Include l'area necessaria di 45 × 13 mm di distanza dal metallo/terreno intorno all'antenna per un corretto funzionamento (Figura 11).

Figura 11: La scheda di valutazione ACR4006X-EVB misura solo 120 × 45 mm e facilita la valutazione dell'antenna in chip tramite il connettore SMA; la scheda tecnica mostra le aree di layout e le dimensioni critiche. (Immagine per gentile concessione di Abracon LLC)

Conclusione

Le antenne multibanda soddisfano le sfide dei dispositivi IoT, in particolare di quelli che devono supportare una sola banda adesso, mentre forniscono un percorso di aggiornamento più agevole per i nuovi standard come il 5G. Permettono anche a un sistema di supportare più bande per ottimizzare le prestazioni in zone dove la connettività non è assicurata su una singola banda. Come mostrato, le antenne interne montate su una scheda a circuiti di Abracon sono una soluzione più elegante, mentre le antenne esterne che utilizzano un connettore RF integrale o un attacco per cavo coassiale offrono flessibilità di posizionamento per un percorso ottimale del segnale.