Selezione dell'antenna a 868 MHz: progettazione di antenne elicoidali, a stilo e sub-GHz per montaggio su PCB.

La scelta di un'antenna per un dispositivo wireless a 868 MHz non si limita alla semplice corrispondenza con la frequenza operativa nominale. Gli ingegneri devono considerare anche il piano di frequenza regionale, il piano di massa disponibile, il metodo di montaggio, i materiali dell'involucro, il diagramma di radiazione e le prestazioni RF richieste dall'applicazione. Questi fattori sono particolarmente importanti per LoRaWAN, LPWAN, monitoraggio remoto, contatori intelligenti e altri sistemi wireless sub-GHz.

Questa guida spiega come valutare le antenne montate su PCB, i monopoli elicoidali e le antenne esterne a frusta per applicazioni a 868 MHz. Introduce anche calcoli pratici di lunghezza d'onda e piano di massa, confronta rappresentativi Kinghelm Il documento descrive i prodotti con TE Connectivity ANT-868-HETH e illustra le fasi di validazione RF necessarie prima della produzione.

1. Confermare la banda operativa e i requisiti dell'applicazione

Prima di scegliere un'antenna, è necessario verificare la gamma di frequenza effettivamente utilizzata dal dispositivo e le normative vigenti nel mercato di riferimento. I termini 433 MHz, 470 MHz, 868 MHz e 915 MHz descrivono le categorie di frequenza sub-GHz comunemente utilizzate, ma non sono intercambiabili. Le assegnazioni regionali, la potenza di trasmissione consentita, le restrizioni del ciclo di lavoro e i piani di canale variano.

Non si deve automaticamente presumere che un'antenna progettata per la banda degli 868 MHz offra prestazioni ottimali anche nella banda dei 915 MHz. Anche quando due prodotti sembrano simili, le loro frequenze di risonanza, le reti di adattamento di impedenza e le caratteristiche di radiazione possono differire in modo significativo.

Per un nuovo progetto, documentare i seguenti requisiti prima di selezionare le antenne candidate:

• Frequenza operativa: Specificare l'intervallo di frequenza effettivo anziché solo la frequenza centrale nominale.
• Tecnologia radio: Identificare se l'applicazione utilizza LoRaWAN, un altro protocollo LPWAN, la telemetria o un collegamento Sub-GHz proprietario.
• Spazio disponibile: Annotare le dimensioni del PCB, l'area libera, le dimensioni dell'involucro e l'altezza consentita dell'antenna.
• Metodo di montaggio: Decidere se il progetto richiede un componente montato su PCB, un'antenna a foro passante o un'antenna esterna.
• Obiettivi RF: Definire l'adattamento di impedenza, l'efficienza, la copertura di radiazione e il raggio di comunicazione accettabili.
• Requisiti ambientali: È necessario tenere conto della temperatura, dell'esposizione all'umidità, delle vibrazioni e dell'ambiente di installazione previsto.

Un'antenna compatta può semplificare l'integrazione meccanica, ma le dimensioni da sole non determinano le prestazioni del sistema. L'antenna deve funzionare in armonia con l'intero dispositivo, compresi il piano di massa, l'involucro, la batteria, i cavi e i componenti elettronici circostanti.

2. Confronta le configurazioni di antenna montata su PCB, elicoidale ed esterna

Diverse strutture di antenna rispondono a diverse esigenze meccaniche e di radiofrequenza. Un'antenna ceramica montata su PCB può contribuire a risparmiare spazio, mentre un'antenna monopolare elicoidale offre una soluzione compatta di radiatore monopolare. Un'antenna esterna a stilo o in gomma può allontanare l'elemento radiante da alcuni componenti elettronici e offrire maggiore flessibilità di posizionamento.

Antenne montate su PCB per dispositivi con spazio limitato

Un'antenna montata su PCB può rappresentare una soluzione pratica quando l'involucro del prodotto è di piccole dimensioni e un elemento radiante esterno non è desiderabile. Tuttavia, il guadagno o la frequenza centrale dichiarati dell'antenna non descrivono completamente le sue prestazioni dopo l'installazione. Il layout del PCB, il piano di massa, i componenti di adattamento e i materiali circostanti possono modificare la risonanza e influenzare l'efficienza di radiazione.

Quando si valuta un'antenna montata su PCB, attenersi al layout raccomandato dal produttore e alle distanze di sicurezza. Evitare di posizionare batterie, staffe metalliche, cornici per display, schermi o altre strutture conduttive troppo vicino all'elemento radiante, a meno che il progetto non sia stato valutato in tale configurazione.

Per ulteriori informazioni sull'integrazione di antenne su PCB, consultare l'articolo "Antenne patch, chip o PCB per dispositivi indossabili BLE" . Sebbene l'articolo si concentri sull'integrazione nei dispositivi indossabili, i principi di layout e di ingombro sono utili anche nella progettazione di antenne compatte.

Monopoli elicoidali per progetti sub-GHz compatti

Un'antenna monopolare elicoidale utilizza una struttura a bobina conduttiva per fornire un'implementazione compatta. Le varianti a foro passante possono essere utili quando il PCB e il progetto meccanico si adattano allo stile di montaggio del componente e ai requisiti di spazio.

Non dare per scontato che ogni antenna elicoidale sia elettricamente o meccanicamente intercambiabile con un'altra. Una versione a foro passante e una versione a montaggio superficiale possono avere ingombri, requisiti di installazione e prestazioni diversi in un determinato dispositivo. Verificare il codice articolo esatto e il relativo disegno del produttore prima di modificare il PCB.

Antenne esterne a frusta e in gomma

Un'antenna esterna può essere utile quando l'involucro consente di posizionarla lontano dalle principali fonti di disallineamento RF. Questa configurazione può essere adatta per gateway, apparecchiature di monitoraggio e dispositivi in ​​cui un profilo dell'antenna più grande è accettabile.

Verificare la frequenza nominale dell'antenna, l'impedenza, le specifiche di guadagno, la polarizzazione, l'interfaccia di montaggio e la disposizione del cavo o dell'alimentazione, ove applicabile. L'installazione finale deve inoltre essere valutata in termini di robustezza meccanica e prestazioni RF nell'ambiente operativo previsto.

3. Applicare i principi della lunghezza d'onda e del piano di massa

La lunghezza d'onda fornisce un utile punto di partenza per comprendere le dimensioni di un'antenna. Tuttavia, da sola, non determina le dimensioni fisiche finali di un'antenna pratica, poiché il carico, la geometria della bobina, i materiali dielettrici, i conduttori vicini e la rete di adattamento influenzano tutti la progettazione.

Calcola la lunghezza d'onda a 868 MHz

Per una stima iniziale, utilizzare la seguente formula:

Lunghezza d'onda (λ) in metri ≈ 300 ÷ Frequenza (MHz)

A 868 MHz:

• Lunghezza d'onda: λ ≈ 300 ÷ 868 ≈ 0.346 m, ovvero circa 346 mm.
• Un quarto di lunghezza d'onda: λ/4 ≈ 86.4 mm.

Il risultato di un quarto di lunghezza d'onda è un riferimento teorico per un semplice monopolo nello spazio libero. Un'antenna reale può essere fisicamente più corta o configurata diversamente tramite carico e sintonizzazione. La sua lunghezza elettrica effettiva e le sue prestazioni dipendono dalla struttura dell'antenna e dalla sua installazione.

Perché il piano di appoggio è importante

Un'antenna monopolare funziona in combinazione con la sua struttura di massa. Il piano di massa del PCB, la disposizione di montaggio e i componenti conduttivi vicini influenzano la distribuzione della corrente e il diagramma di radiazione. Un piano di massa diverso dalla configurazione di riferimento del produttore può modificare l'adattamento di impedenza e le prestazioni effettive.

Ad esempio, le informazioni sul prodotto TE Connectivity ANT-868-HETH indicano un piano di massa di riferimento di 38 × 84 mm nella documentazione dell'antenna. Questa dovrebbe essere considerata una configurazione di riferimento per la valutazione, non un requisito universale per le dimensioni del PCB per ogni antenna a 868 MHz.

Durante la progettazione del PCB, tenete in considerazione questi passaggi pratici:

1. Attenersi alle indicazioni del produttore dell'antenna relative al diagramma di radiazione, al collegamento a terra e all'area di esclusione.
2. Tenere gli oggetti conduttivi e i componenti sensibili lontani dalla sezione radiante, ove richiesto dalle linee guida di progettazione.
3. Posizionare l'alimentatore dell'antenna e la rete di adattamento secondo lo schema RF consigliato.
4. Prevedere spazio per i componenti di regolazione qualora il processo di progettazione richieda la regolazione dell'impedenza.
5. Misurate l'antenna nel prodotto assemblato, anziché affidarvi esclusivamente a calcoli o a una simulazione su un semplice circuito stampato.

Per considerazioni progettuali più dettagliate, consultare RF Antenna Design: A Practical Guide for Intermediate Engineers.

Corrispondenza e misurazione

La specifica di impedenza a 50 Ω è un utile riferimento di interfaccia, ma non garantisce che l'antenna presenterà un carico di 50 Ω una volta installata nel prodotto finale. L'antenna e il PCB insieme costituiscono il sistema RF.

Utilizzare un analizzatore di rete vettoriale (VNA) per valutare l'adattamento di impedenza in ingresso sulla banda operativa richiesta. Le misurazioni di S11 e VSWR possono aiutare a identificare spostamenti di risonanza e problemi di adattamento. Ove possibile, valutare anche l'efficienza totale irradiata, i diagrammi di radiazione e le prestazioni di comunicazione via etere.

Un buon risultato nel test S11 da solo non garantisce un'elevata efficienza di radiazione o la portata di comunicazione prevista. Le perdite conduttive, le perdite dielettriche, gli effetti dell'involucro, l'orientamento dell'antenna e l'ambiente di ricezione influenzano i risultati reali.

4. Confrontare Kinghelm Prodotti a 868 MHz con TE ANT-868-HETH

Quando si confrontano i prodotti, è importante distinguere tra specifiche elettriche e compatibilità meccanica. Un'antenna compatta montata su PCB, un'antenna esterna in gomma e un monopolo elicoidale a foro passante possono essere tutte considerate per progetti Sub-GHz, ma soddisfano requisiti di integrazione differenti.

Rappresentante Kinghelm Prodotti

Importante: i valori sopra riportati sono specifiche di prodotto fornite dal produttore e non rappresentano un confronto prestazionale controllato in condizioni identiche. I valori di guadagno non devono essere interpretati come direttamente equivalenti a meno che le definizioni di misurazione e le condizioni di prova non siano comparabili. Il progetto finale deve essere valutato nel circuito stampato, nell'involucro e nell'ambiente di installazione previsti.

Come interpretare il confronto

L'antenna KH-10032-A83 è un'opzione compatta per montaggio su PCB con una frequenza centrale dichiarata di 868 MHz e una larghezza di banda di 10 MHz. Potrebbe essere una valida opzione quando la progettazione privilegia un ingombro ridotto, nel rispetto della banda operativa richiesta e delle linee guida di layout del produttore.

L'antenna KH-(868)-J505-JB è un'antenna in gomma con frequenza nominale di 868 MHz, impedenza di 50 Ω e guadagno di 2.0 dBi. Rappresenta un approccio di integrazione diverso rispetto a un'antenna ceramica montata su PCB e può essere presa in considerazione quando il design meccanico del prodotto consente il montaggio di un'antenna esterna o separata.

L'antenna TE ANT-868-HETH è un'antenna monopolare elicoidale a foro passante, con funzionamento dichiarato dal produttore nella gamma di frequenza 862-870 MHz. Il suo stile di montaggio e le sue caratteristiche elettriche devono essere valutati in base ai requisiti specifici del prodotto di destinazione.

Alcuni degli Kinghelm I prodotti non devono essere descritti come sostituti diretti del TE ANT-868-HETH senza previa verifica. Differenze nel montaggio, nell'interazione con il piano di massa, nell'adattamento di impedenza, nello spazio meccanico e nelle prestazioni RF potrebbero richiedere modifiche al PCB o all'involucro. Confermare le dimensioni esatte, l'interfaccia e la documentazione di conformità del prodotto selezionato prima di approvarlo per la produzione.

5. Convalidare le prestazioni RF nel dispositivo finale

Anche un'antenna correttamente specificata può comportarsi in modo diverso dopo l'integrazione. Un involucro metallico, una batteria, un display, un cavo, una staffa di montaggio o un circuito nelle vicinanze possono alterare l'impedenza e le caratteristiche di radiazione dell'antenna. Per questo motivo, la validazione dell'antenna dovrebbe essere parte integrante del processo di sviluppo del prodotto, anziché un controllo finale in fase di acquisto.

Lista di controllo di convalida consigliata

• Copertura di frequenza: Verificare che l'antenna copra tutti i canali richiesti e la banda regionale applicabile.
• Corrispondenza di impedenza: Misurare S11 o VSWR nell'intervallo operativo utilizzando un'apposita configurazione di test RF.
• Efficienza di irradiazione: Valutare le prestazioni di emissione irradiata in un dispositivo assemblato rappresentativo, ove le risorse di prova lo consentano.
• Orientamento: Valutare l'orientamento previsto dell'antenna e la posizione prevista del prodotto durante l'utilizzo.
• Effetti del piano di massa: Confronta il layout finale del PCB con la configurazione consigliata o di riferimento del produttore.
• Effetti dell'isolamento: Eseguire il test con l'involucro definitivo, la batteria, il display e le principali parti conduttive installati.
• Prestazioni di comunicazione: È preferibile testare il collegamento radio effettivo in condizioni operative rappresentative, piuttosto che basarsi esclusivamente sul guadagno dell'antenna.
• Idoneità ambientale: Verificare i requisiti di temperatura, umidità, vibrazione e meccanici confrontandoli con la documentazione del prodotto.
• Conformità normativa: Verificare che il dispositivo finito soddisfi i requisiti radio e di prodotto pertinenti nel suo mercato di destinazione.

Qualora il prodotto sia destinato a LoRaWAN o ad altre applicazioni wireless a lungo raggio, i test devono rispecchiare l'ambiente di implementazione reale. L'altezza di installazione, l'orientamento dell'antenna, gli ostacoli, le interferenze e l'antenna ricevente possono influire sulle prestazioni del collegamento.

Per i progetti con montaggio su PCB, lasciare spazio sufficiente per le regolazioni della rete di adattamento se le misurazioni RF iniziali indicano la necessità di una messa a punto. Qualsiasi modifica ai componenti deve essere documentata e verificata su hardware rappresentativo della produzione.

6. Prendere una decisione informata sulla progettazione e l'approvvigionamento di tecnologia sub-GHz

La scelta di un'antenna sub-GHz pratica inizia con la definizione della banda di frequenza target e prosegue con l'integrazione meccanica, la validazione RF e la valutazione dei fornitori. L'antenna più piccola non è necessariamente la scelta migliore e un valore di guadagno dichiarato più elevato non garantisce prestazioni migliori in ogni prodotto.

Per un dispositivo compatto, un'antenna montata su PCB come la KH-10032-A83 può essere una valida opzione di valutazione, a condizione che la sua gamma di frequenza e i requisiti di layout siano compatibili con il progetto. Qualora sia più appropriata un'antenna montata separatamente, la KH-(868)-J505-JB offre un ulteriore fattore di forma da valutare. Per i progetti che richiedono un'antenna monopolare elicoidale a foro passante, la TE ANT-868-HETH fornisce un riferimento documentato dal produttore per la valutazione di tale configurazione.

Prima di finalizzare la distinta base, verificare il modello esatto, la banda operativa, il disegno meccanico, l'impedenza, le condizioni di misurazione del guadagno, l'interfaccia di montaggio e le informazioni di conformità applicabili. In caso di sostituzione di un'antenna esistente, testare sia l'adattamento meccanico che le prestazioni RF sul dispositivo effettivo, anziché basarsi solo sulla frequenza nominale.

KinghelmIl portfolio di antenne di include prodotti per diverse esigenze di integrazione wireless. Ingegneri e team di acquisto possono esaminare le specifiche di prodotto pubblicate e verificarne l'idoneità per l'applicazione prevista prima di selezionare un componente per la produzione.

Per ulteriori indicazioni sull'integrazione delle antenne, leggere " Come scegliere un'antenna Bluetooth? Dalle antenne patch a quelle in ceramica" . Sebbene l'articolo si concentri sul Bluetooth, fornisce anche un contesto aggiuntivo sull'adattamento della struttura dell'antenna allo spazio disponibile nel prodotto e ai vincoli di integrazione.

Referenze

1. Connettività TE, Pagina del prodotto ANT-868-HETH.
2. Connettività TE, Catalogo di antenne.
3. Kinghelm, Elenco dei prodotti per antenne.
4. Kinghelm, Elenco dei prodotti per antenne in gomma.
5. Kinghelm, Progettazione di antenne RF: una guida pratica per ingegneri di livello intermedio.
6. Kinghelm, Antenna patch, chip o PCB per dispositivi indossabili BLE.
7. Kinghelm, Come scegliere un'antenna Bluetooth? Dalle antenne patch a quelle in ceramica..