Seleção de antenas de 868 MHz: projeto de antenas helicoidais, de chicote e sub-GHz para montagem em placa de circuito impresso

A escolha de uma antena para um dispositivo sem fio de 868 MHz envolve mais do que simplesmente corresponder à frequência operacional nominal. Os engenheiros também devem considerar o plano de frequências regional, o plano de aterramento disponível, o método de montagem, os materiais da caixa, o padrão de radiação e o desempenho de RF exigido pela aplicação. Esses fatores são particularmente importantes para LoRaWAN, LPWAN, monitoramento remoto, medição inteligente e outros sistemas sem fio sub-GHz.

Este guia explica como avaliar antenas montadas em PCB, monopólos helicoidais e antenas externas tipo chicote para aplicações em 868 MHz. Ele também apresenta cálculos práticos de comprimento de onda e plano de terra, e compara modelos representativos. Kinghelm Este documento descreve os produtos com o TE Connectivity ANT-868-HETH e apresenta as etapas de validação de RF necessárias antes da produção.

1. Confirme a banda de operação e os requisitos da aplicação.

Antes de escolher uma antena, confirme a faixa de frequência real utilizada pelo dispositivo e as regulamentações aplicáveis ​​no mercado-alvo. Os termos 433 MHz, 470 MHz, 868 MHz e 915 MHz descrevem categorias de frequência sub-GHz comumente utilizadas, mas não são intercambiáveis. As alocações regionais, a potência de transmissão permitida, as restrições de ciclo de trabalho e os planos de canal variam.

Uma antena projetada para operar em torno de 868 MHz não deve ser automaticamente considerada como tendo um bom desempenho na faixa de 915 MHz. Mesmo quando dois produtos parecem semelhantes, suas frequências de ressonância, redes de adaptação de impedância e características de radiação podem diferir significativamente.

Para um novo projeto, documente os seguintes requisitos antes de selecionar os candidatos a antenas:

• Frequência de operação: Especifique a faixa de frequência real, e não apenas a frequência central nominal.
• Tecnologia de rádio: Identifique se o aplicativo usa LoRaWAN, outro protocolo LPWAN, telemetria ou um link Sub-GHz proprietário.
• Espaço disponível: Registre as dimensões da placa de circuito impresso (PCB), a área livre, as dimensões da caixa e a altura permitida da antena.
• Método de montagem: Decida se o projeto requer um componente montado em placa de circuito impresso (PCB), uma antena de orifício passante ou uma antena externa.
• Alvos de radiofrequência: Defina os parâmetros aceitáveis ​​de impedância, eficiência, cobertura de radiação e alcance de comunicação.
• Requerimentos ambientais: Considere a temperatura, a exposição à umidade, a vibração e o ambiente de instalação pretendido.

Uma antena compacta pode simplificar a integração mecânica, mas o tamanho por si só não determina o desempenho do sistema. A antena deve funcionar em conjunto com todo o dispositivo, incluindo seu plano de terra, invólucro, bateria, cabos e componentes eletrônicos próximos.

2. Compare as configurações de antenas montadas em PCB, helicoidais e externas.

Diferentes estruturas de antenas atendem a diferentes restrições mecânicas e de radiofrequência. Uma antena cerâmica montada em placa de circuito impresso pode ajudar a economizar espaço, enquanto um monopolo helicoidal oferece uma implementação compacta de um radiador monopolo. Uma antena externa tipo chicote ou de borracha pode afastar o elemento radiante de alguns componentes eletrônicos e oferecer maior flexibilidade de posicionamento.

Antenas montadas em PCB para dispositivos com espaço limitado

Uma antena montada em placa de circuito impresso (PCB) pode ser uma opção prática quando o gabinete do produto é pequeno e um elemento radiante externo é indesejável. No entanto, o ganho ou a frequência central divulgados para a antena não descrevem completamente seu desempenho após a instalação. O layout da PCB, o plano de aterramento, os componentes de adaptação de impedância e os materiais circundantes podem deslocar a ressonância e afetar a eficiência de radiação.

Ao avaliar uma antena montada em placa de circuito impresso (PCB), siga o layout recomendado pelo fabricante e os requisitos de área de exclusão. Evite colocar baterias, suportes metálicos, molduras de exibição, blindagens ou outras estruturas condutoras muito perto do elemento radiante, a menos que o projeto tenha sido avaliado nessa configuração.

Para obter mais informações sobre a integração de antenas em PCBs, consulte o artigo "Antenas Patch vs. Chip vs. PCB para Dispositivos Vestíveis BLE" . Embora o artigo se concentre na integração com dispositivos vestíveis, seus princípios de layout e espaçamento também são úteis no planejamento de projetos de antenas compactas.

Monopolos helicoidais para projetos compactos de sub-GHz

Um monopolo helicoidal utiliza uma estrutura de bobina condutora para proporcionar uma implementação de antena compacta. As variantes com componentes de montagem em furo podem ser úteis quando o projeto da placa de circuito impresso e o projeto mecânico acomodam o estilo de montagem e os requisitos de espaço do componente.

Não assuma que todas as antenas helicoidais sejam elétrica ou mecanicamente intercambiáveis ​​entre si. Uma versão para montagem em furo passante e uma versão para montagem em superfície podem ter dimensões, requisitos de instalação e desempenho diferentes em um determinado dispositivo. Confirme o número de peça exato e o desenho do fabricante antes de modificar a placa de circuito impresso.

Antenas externas de chicote e de borracha

Uma antena externa pode ser útil quando o gabinete permite que ela seja posicionada longe de fontes importantes de desafinação de radiofrequência. Essa configuração pode ser adequada para gateways, equipamentos de monitoramento e dispositivos onde um perfil de antena maior seja aceitável.

Verifique a frequência nominal da antena, a impedância, as especificações de ganho, a polarização, a interface de montagem e o arranjo do cabo ou da alimentação, quando aplicável. A instalação final também deve ser avaliada quanto à durabilidade mecânica e ao desempenho de radiofrequência no ambiente operacional pretendido.

3. Aplicar os princípios de comprimento de onda e plano de terra

O comprimento de onda fornece um ponto de partida útil para a compreensão das dimensões da antena. Ele não determina, por si só, o tamanho físico final de uma antena prática, pois a impedância, a geometria da bobina, os materiais dielétricos, os condutores próximos e a rede de adaptação influenciam o projeto.

Calcule o comprimento de onda em 868 MHz.

Para uma estimativa inicial, utilize a seguinte fórmula:

Comprimento de onda (λ) em metros ≈ 300 ÷ Frequência (MHz)

A 868 MHz:

• Comprimento de onda: λ ≈ 300 ÷ 868 ≈ 0.346 m, ou aproximadamente 346 mm.
• Um quarto do comprimento de onda: λ/4 ≈ 86.4 mm.

O resultado de um quarto de comprimento de onda é uma referência teórica para um monopolo simples no espaço livre. Uma antena prática pode ser fisicamente mais curta ou configurada de outras maneiras através de ajustes de carga e sintonia. Seu comprimento elétrico efetivo e desempenho dependem da estrutura e instalação da antena.

Por que o plano de terra é importante

Uma antena monopolo opera em conjunto com sua estrutura de aterramento. O plano de aterramento da placa de circuito impresso (PCB), o arranjo de montagem e os componentes condutores próximos influenciam a distribuição de corrente e o padrão de radiação. Um plano de aterramento que difere da configuração de referência do fabricante pode alterar a adaptação de impedância e o desempenho obtido.

Por exemplo, as informações do produto TE Connectivity ANT-868-HETH identificam uma referência de plano de terra de 38 × 84 mm em sua documentação da antena. Isso deve ser tratado como uma configuração de referência para avaliação, e não como um requisito universal de tamanho de PCB para todas as antenas de 868 MHz.

Ao projetar a placa de circuito impresso (PCB), considere estas etapas práticas:

1. Siga as recomendações do fabricante da antena quanto ao padrão de aterramento, conexão à terra e área de exclusão.
2. Mantenha objetos condutores e componentes sensíveis afastados da seção irradiante, conforme exigido pelas diretrizes de projeto.
3. Posicione a alimentação da antena e a rede de adaptação de acordo com o layout de RF recomendado.
4. Deixe espaço para componentes de ajuste caso o processo de projeto exija ajuste de impedância.
5. Meça a antena no produto montado, em vez de confiar apenas em cálculos ou em uma simulação de placa de circuito impresso (PCB) sem componentes.

Para considerações de projeto mais detalhadas, consulte o livro " RF Antenna Design: A Practical Guide for Intermediate Engineers" (Projeto de Antenas de RF: Um Guia Prático para Engenheiros de Nível Intermediário).

Correspondência e Medição

Uma especificação de impedância de 50 Ω é uma referência de interface útil, mas não garante que a antena apresentará uma carga de 50 Ω quando instalada no produto final. A antena e a placa de circuito impresso (PCB) juntas formam o sistema de radiofrequência (RF).

Utilize um analisador de redes vetorial (VNA) para avaliar a adaptação de impedância de entrada na faixa de operação necessária. Medições de S11 e VSWR podem ajudar a identificar deslocamentos de ressonância e problemas de adaptação. Quando viável, avalie também a eficiência total irradiada, os diagramas de radiação e o desempenho da comunicação sem fio.

Um bom resultado no teste S11, por si só, não garante alta eficiência de radiação ou o alcance de comunicação esperado. Perdas condutivas, perdas dielétricas, efeitos de confinamento, orientação da antena e o ambiente do receptor influenciam os resultados no mundo real.

4. Comparar Kinghelm Produtos de 868 MHz com o TE ANT-868-HETH

Ao comparar produtos, diferencie entre especificações elétricas e compatibilidade mecânica. Uma antena compacta montada em placa de circuito impresso, uma antena externa de borracha e um monopolo helicoidal com furo passante podem ser considerados para projetos sub-GHz, mas atendem a diferentes requisitos de integração.

Representante Kinghelm Produtos

Importante: Os valores acima são especificações do produto fornecidas pelo fabricante e não representam uma comparação de desempenho controlada em condições idênticas. Os valores de ganho não devem ser interpretados como diretamente equivalentes, a menos que as definições de medição e as condições de teste sejam comparáveis. O projeto final deve ser avaliado em sua placa de circuito impresso (PCB), gabinete e ambiente de instalação pretendidos.

Como interpretar a comparação

A KH-10032-A83 é uma opção compacta para montagem em placa de circuito impresso com frequência central de 868 MHz e largura de banda de 10 MHz. Pode ser interessante avaliá-la quando o projeto prioriza uma antena de tamanho reduzido, considerando a banda de operação necessária e as diretrizes de layout do fabricante.

A KH-(868)-J505-JB é uma antena de borracha com frequência nominal de 868 MHz, impedância de 50 Ω e ganho de 2.0 dBi. Ela representa uma abordagem de integração diferente da antena cerâmica montada em placa de circuito impresso e pode ser considerada quando o projeto mecânico do produto permitir a instalação de uma antena externa ou montada separadamente.

A antena TE ANT-868-HETH é um monopolo helicoidal de montagem em furo passante, com operação listada pelo fabricante na faixa de frequência de 862–870 MHz. Seu estilo de montagem e características elétricas devem ser avaliados em relação aos requisitos reais do produto em questão.

Estes Kinghelm Os produtos não devem ser descritos como substitutos diretos do TE ANT-868-HETH sem verificação prévia. Diferenças na montagem, interação com o plano de terra, casamento de impedância, folga mecânica e desempenho de RF podem exigir alterações na placa de circuito impresso ou no gabinete. Confirme as dimensões exatas, a interface e a documentação de conformidade do produto selecionado antes de aprová-lo para produção.

5. Validar o desempenho de RF no dispositivo final

Mesmo uma antena corretamente especificada pode apresentar comportamento diferente após a integração. Uma caixa metálica, bateria, visor, cabo, suporte de montagem ou circuito próximo podem alterar a impedância e as características de radiação da antena. Por esse motivo, a validação da antena deve fazer parte do processo de desenvolvimento do produto, e não apenas uma verificação final de fornecedores.

Lista de verificação de validação recomendada

• Cobertura de freqüência: Confirme se a antena cobre todos os canais necessários e a banda regional aplicável.
• Impedância: Meça S11 ou VSWR na faixa de operação usando uma configuração de teste de RF apropriada.
• Eficiência de radiação: Avalie o desempenho da radiação em um dispositivo montado representativo sempre que os recursos de teste permitirem.
• Orientação: Avalie a orientação pretendida da antena e a posição esperada do produto durante o uso.
• Efeitos do plano de terra: Compare o layout final da placa de circuito impresso com a configuração recomendada ou de referência do fabricante.
• Efeitos do confinamento: Teste com a caixa final, bateria, tela e principais componentes condutores instalados.
• Desempenho na comunicação: Teste o enlace de rádio real em condições operacionais representativas, em vez de confiar apenas no ganho da antena.
• Adequação ambiental: Verificar os requisitos de temperatura, umidade, vibração e mecânicos em comparação com a documentação do produto.
• Conformidade regulatória: Confirme se o dispositivo finalizado atende aos requisitos de rádio e de produto relevantes em seu mercado-alvo.

Quando o produto se destina a LoRaWAN ou outra aplicação sem fio de longo alcance, os testes devem refletir o ambiente real de implantação. A altura de instalação, a orientação da antena, obstruções, interferências e a antena receptora podem afetar o desempenho do enlace.

Para projetos montados em PCB, deixe espaço suficiente para ajustes na rede de adaptação de impedância caso as medições iniciais de RF indiquem a necessidade de sintonia. Quaisquer alterações de componentes devem ser documentadas e verificadas em hardware representativo da produção.

6. Tome decisões informadas sobre o projeto e o fornecimento de componentes sub-GHz.

A decisão prática sobre uma antena sub-GHz começa com a banda de frequência desejada e continua com a integração mecânica, a validação de RF e a análise de fornecedores. A antena menor nem sempre é a melhor escolha, e um ganho publicado mais alto não garante um desempenho superior em todos os produtos.

Para um dispositivo compacto, uma antena montada em placa de circuito impresso, como a KH-10032-A83, pode ser uma candidata para avaliação quando sua faixa de frequência e requisitos de layout corresponderem ao projeto. Quando uma antena montada separadamente for mais apropriada, a KH-(868)-J505-JB oferece outro formato para avaliação. Para projetos que exigem um monopolo helicoidal com furo passante, a TE ANT-868-HETH fornece uma referência documentada pelo fabricante para avaliar essa configuração.

Antes de finalizar a lista de materiais, confirme o modelo exato, a faixa de operação, o desenho mecânico, a impedância, as condições de medição de ganho, a interface de montagem e as informações de conformidade aplicáveis. Se estiver substituindo uma antena existente, teste tanto o encaixe mecânico quanto o desempenho de RF no dispositivo real, em vez de confiar apenas na frequência nominal.

KinghelmO portfólio de antenas da [nome da empresa] inclui produtos para diferentes requisitos de integração sem fio. Engenheiros e equipes de compras podem revisar as especificações de produto publicadas e confirmar a adequação à sua aplicação pretendida antes de selecionar uma peça para produção.

Para obter mais orientações sobre integração de antenas, leia Como escolher uma antena Bluetooth? De patch a cerâmica . Embora o foco seja o Bluetooth, o artigo fornece contexto adicional sobre como adequar a estrutura da antena ao espaço disponível no produto e às restrições de integração.

Referências

1. Conectividade TE, Página do produto ANT-868-HETH.
2. Conectividade TE, Catálogo de Antenas.
3. Kinghelm, Lista de produtos de antenas.
4. Kinghelm, Lista de produtos de antenas de borracha.
5. Kinghelm, Projeto de Antenas de RF: Um Guia Prático para Engenheiros de Nível Intermediário.
6. Kinghelm, Antenas de patch, chip e PCB para dispositivos vestíveis BLE.
7. Kinghelm, Como escolher uma antena Bluetooth? De antenas de patch a antenas de cerâmica..