Antennekeuze voor 868 MHz: spiraalantennes, zweepantennes en sub-GHz-antennes voor printplaten.

Bij de keuze van een antenne voor een draadloos apparaat op 868 MHz is meer nodig dan alleen het afstemmen op de nominale werkfrequentie. Ingenieurs moeten ook rekening houden met het regionale frequentieplan, het beschikbare aardingsvlak, de montagemethode, de materialen van de behuizing, het stralingspatroon en de vereiste RF-prestaties voor de toepassing. Deze factoren zijn met name belangrijk voor LoRaWAN, LPWAN, bewaking op afstand, slimme meters en andere draadloze systemen in het sub-GHz-bereik.

Deze handleiding legt uit hoe u op een printplaat gemonteerde antennes, spiraalvormige monopoolantennes en externe zweepantennes kunt evalueren voor toepassingen op 868 MHz. Ook worden praktische berekeningen van de golflengte en het grondvlak geïntroduceerd en worden representatieve antennes vergeleken. Kinghelm Dit document beschrijft producten met de TE Connectivity ANT-868-HETH en geeft een overzicht van de RF-validatiestappen die nodig zijn vóór de productie.

1. Bevestig de werkband en de toepassingsvereisten.

Voordat u een antenne kiest, controleer dan het daadwerkelijke frequentiebereik dat door het apparaat wordt gebruikt en de regelgeving die van toepassing is in de beoogde markt. De termen 433 MHz, 470 MHz, 868 MHz en 915 MHz beschrijven veelgebruikte sub-GHz-frequentiecategorieën, maar ze zijn niet onderling verwisselbaar. Regionale toewijzingen, toegestaan ​​zendvermogen, duty-cycle-beperkingen en kanaalplannen variëren.

Een antenne die ontworpen is voor 868 MHz presteert niet automatisch ook goed in de 915 MHz-band. Zelfs als twee producten er vergelijkbaar uitzien, kunnen hun resonantiefrequenties, aanpassingsnetwerken en stralingskarakteristieken aanzienlijk verschillen.

Documenteer voor een nieuw ontwerp de volgende eisen voordat u een shortlist van antennekandidaten opstelt:

• Werk frequentie: Specificeer het werkelijke frequentiebereik in plaats van alleen de nominale middenfrequentie.
• Radiotechnologie: Bepaal of de applicatie gebruikmaakt van LoRaWAN, een ander LPWAN-protocol, telemetrie of een eigen Sub-GHz-verbinding.
• Beschikbare ruimte: Noteer de afmetingen van de printplaat, de vrije ruimte, de afmetingen van de behuizing en de toegestane antennehoogte.
• Montagewijze: Bepaal of het ontwerp een component op de printplaat, een doorsteekantenne of een externe antenne vereist.
• RF-doelen: Definieer acceptabele impedantieaanpassing, efficiëntie, stralingsdekking en communicatiebereik.
• Milieueisen: Houd rekening met temperatuur, blootstelling aan vocht, trillingen en de beoogde installatieomgeving.

Een compacte antenne kan de mechanische integratie vereenvoudigen, maar de afmetingen alleen bepalen niet de systeemprestaties. De antenne moet samenwerken met het complete apparaat, inclusief het aardvlak, de behuizing, de batterij, de kabels en de nabijgelegen elektronische componenten.

2. Vergelijk de configuraties van op de printplaat gemonteerde, spiraalvormige en externe antennes.

Verschillende antennestructuren spelen in op verschillende mechanische en RF-beperkingen. Een op een printplaat gemonteerde keramische antenne kan ruimte besparen, terwijl een spiraalvormige monopoolantenne een compacte implementatie van een monopoolstraler biedt. Een externe zweepantenne of rubberen antenne kan het stralingselement verder van de elektronica plaatsen en biedt mogelijk meer flexibiliteit in positionering.

Op printplaten gemonteerde antennes voor apparaten met beperkte ruimte

Een op een printplaat gemonteerde antenne kan een praktische optie zijn wanneer de productbehuizing klein is en een extern stralingselement ongewenst is. De opgegeven versterking of middenfrequentie van de antenne beschrijft echter niet volledig de prestaties na installatie. De lay-out van de printplaat, het aardvlak, de aanpassingscomponenten en de omringende materialen kunnen de resonantie verschuiven en de stralingsefficiëntie beïnvloeden.

Bij het beoordelen van een op een printplaat gemonteerde antenne dient u de door de fabrikant aanbevolen lay-out en veiligheidsvoorschriften te volgen. Plaats geen batterijen, metalen beugels, beeldschermframes, afschermingen of andere geleidende structuren te dicht bij het stralingselement, tenzij het ontwerp in die configuratie is getest.

Voor meer achtergrondinformatie over de integratie van antennes in printplaten, zie Patch vs. Chip vs. PCB-antenne voor BLE-wearables . Hoewel het artikel zich richt op integratie in wearables, zijn de lay-out- en ruimteprincipes ook nuttig bij het ontwerpen van compacte antennes.

Spiraalvormige monopoolantennes voor compacte ontwerpen in het sub-GHz-bereik.

Een spiraalvormige monopoolantenne maakt gebruik van een geleidende spoelstructuur voor een compacte antenne-implementatie. Doorsteekvarianten kunnen nuttig zijn wanneer het printplaatontwerp en het mechanische ontwerp rekening houden met de montagewijze en de benodigde ruimte voor het component.

Ga er niet van uit dat elke spiraalantenne elektrisch of mechanisch uitwisselbaar is met een andere. Een doorsteekversie en een SMD-versie kunnen verschillende afmetingen, installatievereisten en prestaties hebben in een specifiek apparaat. Controleer het exacte onderdeelnummer en de tekening van de fabrikant voordat u de printplaat aanpast.

Externe zweepantenne en rubberen antennes

Een externe antenne kan nuttig zijn wanneer de behuizing het mogelijk maakt de antenne op een afstand van belangrijke bronnen van RF-storing te plaatsen. Deze opstelling kan geschikt zijn voor gateways, bewakingsapparatuur en apparaten waarbij een groter antenneprofiel acceptabel is.

Controleer de nominale frequentie, impedantie, versterkingsspecificatie, polarisatie, montage-interface en, indien van toepassing, de kabel- of voedingsconfiguratie van de antenne. De uiteindelijke installatie moet ook worden beoordeeld op mechanische duurzaamheid en RF-prestaties in de beoogde gebruiksomgeving.

3. Pas de golflengte- en grondvlakprincipes toe.

De golflengte biedt een nuttig uitgangspunt voor het begrijpen van de afmetingen van een antenne. De golflengte zelf bepaalt echter niet de uiteindelijke fysieke grootte van een praktische antenne, omdat de belasting, de spoelgeometrie, de diëlektrische materialen, nabijgelegen geleiders en het aanpassingsnetwerk allemaal van invloed zijn op het ontwerp.

Bereken de golflengte bij 868 MHz.

Gebruik voor een eerste schatting de volgende formule:

Golflengte (λ) in meters ≈ 300 ÷ Frequentie (MHz)

Bij 868 MHz:

• Golflengte: λ ≈ 300 ÷ 868 ≈ 0.346 m, oftewel ongeveer 346 mm.
• Een kwart golflengte: λ/4 ≈ 86.4 mm.

Het resultaat van een kwart golflengte is een theoretische referentie voor een eenvoudige monopoolantenne in de vrije ruimte. Een praktische antenne kan fysiek korter zijn of anders geconfigureerd worden door middel van belasting en afstemming. De effectieve elektrische lengte en prestaties zijn afhankelijk van de antennestructuur en -installatie.

Waarom het grondvlak belangrijk is

Een monopoolantenne werkt in combinatie met de aardingsstructuur. Het aardingsvlak van de printplaat, de montage en nabijgelegen geleidende componenten beïnvloeden de stroomverdeling en het stralingspatroon. Een aardingsvlak dat afwijkt van de referentieconfiguratie van de fabrikant kan de impedantieaanpassing en de gerealiseerde prestaties beïnvloeden.

De productinformatie van de TE Connectivity ANT-868-HETH vermeldt bijvoorbeeld een grondvlakreferentie van 38 × 84 mm in de antennedocumentatie. Dit moet worden beschouwd als een referentieconfiguratie voor evaluatie, en niet als een universele PCB-afmetingseis voor elke 868 MHz-antenne.

Houd bij het ontwerpen van de printplaat rekening met de volgende praktische stappen:

1. Volg de aanbevelingen van de antennefabrikant met betrekking tot het grondpatroon, de aardverbinding en het uitsluitingsgebied.
2. Houd geleidende objecten en gevoelige componenten uit de buurt van het stralingsgedeelte waar dit volgens de ontwerpvoorschriften vereist is.
3. Plaats de antenne-aansluiting en het aanpassingsnetwerk volgens de aanbevolen RF-lay-out.
4. Reserveer ruimte voor afstemmingscomponenten als het ontwerpproces impedantieaanpassing vereist.
5. Meet de antenne in het geassembleerde product, in plaats van alleen te vertrouwen op berekeningen of een simulatie van een kale printplaat.

Voor meer gedetailleerde ontwerpoverwegingen, zie RF Antenna Design: A Practical Guide for Intermediate Engineers.

Matching en meting

Een impedantiespecificatie van 50 Ω is een nuttige referentie voor de interface, maar garandeert niet dat de antenne een belasting van 50 Ω zal vormen wanneer deze in het uiteindelijke product is geïnstalleerd. De antenne en de printplaat vormen samen het RF-systeem.

Gebruik een vectornetwerkanalysator (VNA) om de ingangsaanpassing over de vereiste werkband te evalueren. S11- en VSWR-metingen kunnen helpen bij het identificeren van resonantieverschuivingen en aanpassingsproblemen. Beoordeel waar mogelijk ook de totale uitgestraalde efficiëntie, stralingspatronen en de prestaties van de draadloze communicatie.

Een goed S11-resultaat alleen garandeert geen hoge stralingsefficiëntie of het verwachte communicatiebereik. Geleidingsverliezen, diëlektrische verliezen, behuizingseffecten, antenneoriëntatie en de ontvangstomgeving hebben allemaal invloed op de resultaten in de praktijk.

4. Vergelijken Kinghelm 868 MHz-producten met de TE ANT-868-HETH

Bij het vergelijken van producten is het belangrijk onderscheid te maken tussen elektrische specificaties en mechanische compatibiliteit. Een compacte, op een printplaat gemonteerde antenne, een externe rubberen antenne en een spiraalvormige monopoolantenne met doorsteekmontage kunnen allemaal worden overwogen voor sub-GHz-ontwerpen, maar ze voldoen aan verschillende integratievereisten.

Vertegenwoordiger Kinghelm Producten

Belangrijk: De bovenstaande waarden zijn door de fabrikant opgegeven productspecificaties en geen gecontroleerde prestatievergelijking onder dezelfde omstandigheden. De versterkingswaarden mogen niet als direct equivalent worden beschouwd, tenzij de meetdefinities en testomstandigheden vergelijkbaar zijn. Het uiteindelijke ontwerp moet worden geëvalueerd in de beoogde printplaat, behuizing en installatieomgeving.

Hoe de vergelijking te interpreteren

De KH-10032-A83 is een compacte, op een printplaat te monteren antenne met een opgegeven middenfrequentie van 868 MHz en een bandbreedte van 10 MHz. Het is wellicht de moeite waard om deze antenne te overwegen wanneer een kleine antenne-voetafdruk prioriteit heeft in het ontwerp, mits de vereiste frequentieband en de lay-outrichtlijnen van de fabrikant in acht worden genomen.

De KH-(868)-J505-JB is een rubberen antenne met een nominale frequentie van 868 MHz, een impedantie van 50 Ω en een versterking van 2.0 dBi. Deze antenne vertegenwoordigt een andere integratiemethode dan een op een printplaat gemonteerde keramische antenne en kan worden overwogen wanneer het mechanische ontwerp van het product een externe of apart gemonteerde antenne toelaat.

De TE ANT-868-HETH is een spiraalvormige monopoolantenne met doorsteekmontage, die volgens de fabrikant werkt in het frequentiebereik van 862–870 MHz. De montagewijze en elektrische eigenschappen moeten worden beoordeeld aan de hand van de daadwerkelijke eisen van het beoogde product.

Deze Kinghelm Producten mogen niet zonder verificatie worden omschreven als directe vervangingen voor de TE ANT-868-HETH. Verschillen in montage, interactie met het massavlak, aanpassing, mechanische speling en RF-prestaties kunnen wijzigingen aan de printplaat of behuizing vereisen. Controleer de exacte afmetingen, interface en conformiteitsdocumentatie voor het geselecteerde product voordat u de productie goedkeurt.

5. Valideer de RF-prestaties in het uiteindelijke apparaat.

Zelfs een correct gespecificeerde antenne kan na integratie anders gaan functioneren. Een metalen behuizing, batterij, display, kabel, montagebeugel of nabijgelegen circuit kunnen de impedantie en stralingskarakteristieken van de antenne beïnvloeden. Daarom zou antennevalidatie onderdeel moeten zijn van het productontwikkelingsproces in plaats van een laatste controle bij de inkoop.

Aanbevolen validatiechecklist

• Frequentie bereik: Controleer of de antenne alle benodigde kanalen en de toepasselijke regionale frequentieband dekt.
• Impedantie aanpassing: Meet S11 of VSWR over het werkingsbereik met behulp van een geschikte RF-testopstelling.
• Stralingsrendement: Beoordeel de stralingsprestaties in een representatief samengesteld apparaat wanneer de testmiddelen dit toelaten.
• Oriëntatie: Evalueer de beoogde antenneoriëntatie en de verwachte positie van het product tijdens gebruik.
• Grondvlakeffecten: Vergelijk de uiteindelijke PCB-layout met de door de fabrikant aanbevolen of referentieconfiguratie.
• Effecten van de behuizing: Test met de uiteindelijke behuizing, batterij, display en belangrijkste geleidende onderdelen geïnstalleerd.
• Communicatieprestaties: Test de daadwerkelijke radioverbinding onder representatieve bedrijfsomstandigheden in plaats van alleen op de antenneversterking te vertrouwen.
• Milieugeschiktheid: Controleer de temperatuur-, vochtigheids-, trillings- en mechanische eisen aan de hand van de productdocumentatie.
• Naleving van de regelgeving: Bevestig dat het voltooide apparaat voldoet aan de relevante radio- en productvereisten in de beoogde markt.

Wanneer het product bedoeld is voor LoRaWAN of een andere draadloze toepassing met een groot bereik, moet het testen de werkelijke implementatieomgeving weerspiegelen. Installatiehoogte, antenneoriëntatie, obstakels, interferentie en de ontvangende antenne kunnen allemaal de verbindingsprestaties beïnvloeden.

Bij ontwerpen die op een printplaat worden gemonteerd, moet er voldoende ruimte worden vrijgehouden voor aanpassingen aan het aanpassingsnetwerk als uit de eerste RF-metingen blijkt dat afstemming nodig is. Alle wijzigingen aan componenten moeten worden gedocumenteerd en geverifieerd op hardware die representatief is voor de productieomgeving.

6. Neem een ​​weloverwogen beslissing over het ontwerp en de inkoop van sub-GHz-componenten.

Een praktische keuze voor een Sub-GHz-antenne begint met de beoogde frequentieband en gaat verder met mechanische integratie, RF-validatie en beoordeling van de leveranciers. De kleinste antenne is niet per se de beste keuze, en een hogere opgegeven versterking garandeert niet in elk product betere prestaties.

Voor een compact apparaat kan een op de printplaat gemonteerde antenne zoals de KH-10032-A83 een geschikte kandidaat zijn voor evaluatie, mits het opgegeven frequentiebereik en de lay-outvereisten overeenkomen met het ontwerp. Wanneer een afzonderlijk gemonteerde antenne geschikter is, biedt de KH-(868)-J505-JB een andere vormfactor om te beoordelen. Voor ontwerpen die een doorsteek-spiraalvormige monopoolantenne vereisen, biedt de TE ANT-868-HETH een door de fabrikant gedocumenteerde referentie voor de evaluatie van die configuratie.

Controleer vóór het definitief maken van de materiaallijst het exacte model, de werkfrequentie, de mechanische tekening, de impedantie, de meetomstandigheden voor de versterking, de montage-interface en de van toepassing zijnde conformiteitsinformatie. Als u een bestaande antenne vervangt, test dan zowel de mechanische pasvorm als de RF-prestaties in het daadwerkelijke apparaat in plaats van alleen op de nominale frequentie te vertrouwen.

KinghelmHet antenneportfolio van het bedrijf omvat producten voor verschillende draadloze integratiebehoeften. Ingenieurs en inkoopteams kunnen de gepubliceerde productspecificaties bekijken en de geschiktheid voor hun beoogde toepassing bevestigen voordat ze een onderdeel voor productie selecteren.

Lees voor meer informatie over antenne-integratie het artikel ' Hoe kies je een Bluetooth-antenne? Van patch- tot keramische antenne' . Hoewel het artikel zich richt op Bluetooth, biedt het ook aanvullende context over het afstemmen van de antennestructuur op de beschikbare productruimte en integratiebeperkingen.

Referenties

1. TE Connectiviteit, ANT-868-HETH Productpagina.
2. TE Connectiviteit, Antennecatalogus.
3. Kinghelm, Overzicht van antenneproducten.
4. Kinghelm, Productoverzicht rubberen antennes.
5. Kinghelm, RF-antenneontwerp: een praktische handleiding voor ingenieurs met een gemiddeld niveau..
6. Kinghelm, Patch-, chip- of printplaatantenne voor BLE-wearables.
7. Kinghelm, Hoe kies je de juiste Bluetooth-antenne? Van patch- tot keramische antenne..