Как выбрать антенну 868 МГц для работы в диапазоне частот ниже ГГц

Kinghelm Внешняя антенна KH-(868)-J505-JB 868 МГц с разъемом SMA

Беспроводные технологии в диапазоне частот ниже гигагерц широко используются в таких приложениях, как дистанционный мониторинг, промышленные датчики, измерительные приборы и маломощные устройства Интернета вещей. В этих системах антенна играет важную роль в определении эффективности передачи и приема радиосигналов устройством. Поэтому выбор правильной антенны требует большего, чем просто согласование номинальной частоты или выбор самого маленького доступного компонента.

При проектировании на частоте 868 МГц инженерам необходимо учитывать рабочую полосу пропускания, доступное пространство для установки, структуру антенны, заземляющую плоскость печатной платы и окружающий корпус. Отделы закупок также должны проверить механическую совместимость, техническую документацию, наличие образцов и требования к поставкам, прежде чем утверждать компонент.

В этом руководстве объясняется, как выбрать антенну для диапазона 868 МГц для приложений в субгигагерцовом диапазоне, начиная с определения первоначальных требований к проектированию и заканчивая сравнением конфигураций антенн и проверкой производительности в готовом устройстве. Также в нем представлены следующие сведения: Kinghelm KH-(868)-J505-JB рассматривается как потенциальный продукт и использует антенну TE Connectivity в качестве внешнего эталона для другого способа монтажа.

1. Определите частотный диапазон и требования к проектированию.

Первым шагом при выборе антенны является подтверждение диапазона рабочих частот устройства и требований к радиосвязи на целевом рынке. Хотя антенны с частотой 433 МГц, 470 МГц, 868 МГц и 915 МГц относятся к более широкой категории субгигагерцовых диапазонов, они предназначены для разных диапазонов частот и не могут автоматически использоваться взаимозаменяемо.

Предполагаемое применение и регион развертывания помогают определить подходящий диапазон частот. После определения диапазона можно оценить полосу пропускания антенны, способ ее крепления и радиочастотные характеристики в соответствии с требованиями устройства.

Не следует автоматически предполагать, что антенна, предназначенная для работы на частоте около 868 МГц, эффективно покрывает диапазон 915 МГц. Даже антенны со схожим внешним видом могут иметь разные резонансные характеристики, согласование импеданса и характеристики излучения.

Перед сравнением моделей антенн необходимо задокументировать четыре основных требования:

• Рабочая частота: Определите полный диапазон частот, необходимый для работы радиосистемы, а не полагайтесь только на номинальную центральную частоту.
• Место для установки: Запишите доступную площадь печатной платы, зону, запрещенную для размещения оборудования, габариты корпуса и допустимую высоту антенны.
• Конфигурация монтажа: Определите, подходит ли изделие для установки антенны на печатную плату, через сквозные отверстия или внешней антенны.
• Производительность РФ: Определите необходимую полосу пропускания, согласование импедансов, зону покрытия и характеристики связи.

Эти требования служат практической отправной точкой для сужения круга доступных вариантов. После определения частотного диапазона и физических ограничений следующим шагом является определение того, какая конструкция антенны лучше всего подходит для конструкции изделия.

2. Сравните конфигурации антенн: установленные на печатной плате, спиральные и внешние.

Различные конструкции антенн решают разные задачи интеграции. Компактная антенна, монтируемая на печатную плату, может подойти для устройств с ограниченным пространством, в то время как спиральная монопольная антенна, устанавливаемая в отверстия, или внешняя антенна могут быть более подходящими, если механическая конструкция позволяет использовать другой способ монтажа.

Выбор должен основываться на физической конструкции устройства и требованиях к радиочастотам, а не только на внешнем виде. Приведенное ниже сравнение поможет инженерам составить первоначальный список кандидатов, прежде чем рассматривать отдельные технические характеристики продукта.

Как использовать это сравнение:
Рассматривайте это как способ сузить механические варианты, а не как гарантию радиочастотных характеристик. Компактная антенна не является автоматически лучшим выбором, если ее установленная эффективность или запас по каналу связи недостаточны. Аналогично, внешняя антенна может обеспечить большую гибкость размещения, но ее разъем и питающий кабель становятся частью радиочастотного тракта.

Термины «керамический», «патч», «чиповый», «спиральный» и «хлыстовой» описывают разные типы радиаторов. Некоторые относятся к материалам или формам упаковки, другие — к конфигурациям радиаторов. Поэтому точные инструкции по сборке и монтажу всегда следует проверять в документации производителя.

Антенны, монтируемые на печатную плату

Антенну, устанавливаемую на печатную плату, стоит рассмотреть в случаях, когда корпус компактен и использование внешнего излучателя неприемлемо. Однако заявленные коэффициент усиления и центральная частота сами по себе не предсказывают производительность в установленном виде. Разводка печатной платы, заземляющая плоскость, согласующие компоненты и находящиеся рядом материалы могут смещать резонанс или снижать эффективность излучения.

Следуйте указаниям производителя относительно схемы расположения контактов, заземления и мест, запрещенных для размещения. Батареи, металлические кронштейны, рамки дисплея, экраны и другие проводящие детали могут влиять на работу антенны, если они расположены слишком близко к излучающей части.

Более подробную информацию об особенностях интеграции см. в статье «От проектирования к применению: раскрытие основных технологий печатных антенн ». В статье «Патч-антенна против чип-антенны против печатной антенны для носимых устройств BLE» также обсуждается интеграция в компактные устройства, хотя контекст BLE не означает, что эти антенны взаимозаменяемы с конструкцией на частоте 868 МГц.

Спиральные монополи

В спиральном монопольном излучателе используется свернутый проводник для размещения монопольного излучателя в более компактном корпусе. Вариант с выводами для монтажа в отверстия может подойти для конструкции, которая позволяет разместить контактные площадки, обеспечить заземление, обеспечить зазор для компонентов и установить его на нужной высоте.

Хотя спиральные антенны позволяют уменьшить физическую длину излучателя, фактическая производительность зависит от конкретных условий конструкции и установки. Перед изменением разводки печатной платы необходимо уточнить точный номер детали, посадочное место, требования к заземлению и чертеж.

Внешние штыревые и резиновые антенны

Внешняя штыревая или резиновая антенна позволяет разместить излучатель вне корпуса, уменьшив его близость к некоторым внутренним источникам расстройки. Такая конфигурация может подойти для шлюзов, оборудования мониторинга и других изделий, где допустимы большие габариты.

Перед выбором внешней антенны необходимо проверить рабочую частоту, номинальное сопротивление, заявленный коэффициент усиления, поляризацию, тип крепления и схему питания. Также следует учитывать потери в кабеле и разъеме, а механическая опора должна соответствовать предполагаемой установке.

После определения подходящей конструкции следующим шагом является изучение условий проектирования радиочастотной системы, определяющих, сможет ли антенна работать должным образом в реальном устройстве.

3. Понимание длины волны, заземляющей плоскости и согласования.

Выбор конструкции антенны — это лишь часть процесса подбора. Даже антенна, разработанная для нужной частоты, может работать по-разному при установке на другой печатной плате или в другом корпусе. Длина волны, конструкция заземляющей плоскости, согласование импеданса и используемые материалы — всё это влияет на конечный результат.

Длина волны на частоте 868 МГц

Длина волны служит полезной отправной точкой для понимания размеров антенны, но она не определяет окончательные физические размеры каждой практической антенны. На конструкцию влияют нагрузка, геометрия катушки, диэлектрические материалы, расположенные рядом проводники и согласующая цепь.

Для первоначальной оценки длину волны в свободном пространстве можно рассчитать по следующей формуле:

Длина волны (λ) в метрах ≈ 300 ÷ Частота (МГц)

• На частоте 868 МГц: λ ≈ 300 ÷ 868 ≈ 0.346 м, или около 346 мм.
• Четверть длины волны в свободном пространстве: λ/4 ≈ 86.4 мм.

Что означает оценка четверти длины волны?

Значение 86.4 мм — это эталонная длина для простой четвертьволновой монопольной антенны в свободном пространстве, а не обязательная физическая длина для каждой антенны 868 МГц. Спиральные, керамические и нагруженные конструкции могут быть короче. Электрическая длина, согласование и рабочие характеристики в установленном состоянии имеют большее значение, чем только механическая длина.

Схема заземления и разводка печатной платы

Необходимая конфигурация заземляющей плоскости зависит от конструкции антенны. Типовые схемы, используемые производителями, являются рекомендациями для конкретного продукта, а не универсальными размерами печатных плат. Заземляющая плоскость, отличающаяся от типовой конфигурации, может изменить входное сопротивление и диаграмму направленности.

Например, в документации TE Connectivity для ANT-868-HETH используется эталонная заземляющая плоскость размером 38 × 84 мм. Это эталонная конфигурация для оценки данного продукта, а не требование к размеру печатной платы для каждой антенны 868 МГц.

При проектировании печатной платы инженеры должны:

1. Следуйте указаниям производителя относительно схемы подключения, заземления и требований к зонам, находящимся вне зоны досягаемости.
2. В соответствии с требованиями проектирования, держите проводящие предметы и чувствительные компоненты подальше от излучающей части.
3. Разместите питающий и согласующий кабели в соответствии с рекомендуемой схемой радиочастотного подключения.
4. Предусмотрите место для компонентов настройки, если потребуется регулировка импеданса.
5. Измеряйте параметры антенны в собранном изделии, а не полагайтесь только на голую тестовую плату или моделирование.

Дополнительные рекомендации по проектированию см. в книге « Проектирование радиочастотных антенн: практическое руководство для инженеров среднего уровня».

Согласование и измерение импеданса

Спецификация 50 Ом описывает номинальный радиочастотный интерфейс; она не гарантирует согласование входного сопротивления 50 Ом после установки. Антенна, печатная плата, согласующая сеть и окружающие материалы должны рассматриваться как единая радиочастотная система.

Векторный анализатор цепей (VNA) можно использовать для измерения согласования входного сигнала в требуемом диапазоне. Значения S11 и VSWR помогают выявить сдвиги резонанса и проблемы согласования. Более подробную информацию см. в статье « Как добиться согласования импеданса 50 Ом при проектировании антенн на печатной плате?».

Однако хороший результат S11 не гарантирует высокой эффективности излучения или ожидаемой дальности связи. Проводящие потери, диэлектрические потери, корпус, ориентация антенны и условия окружающей среды приемника — все это влияет на реальные характеристики. Именно поэтому электрические измерения необходимо дополнять проверкой в ​​готовом устройстве.

4. Оценка вариантов антенн для диапазона 868 МГц с учетом различных требований к интеграции.

После определения рабочего диапазона, выбора подходящей антенной конструкции и анализа ограничений радиочастотной конструкции следующим шагом является оценка конкретных продуктов. При сравнении продуктов следует учитывать способ крепления, интерфейс, опубликованные технические характеристики и требования к интеграции, а не полагаться на один единственный параметр.

Kinghelm KH-(868)-J505-JB — это представленный товар. Kinghelm В данном руководстве рассматривается продукт TE Connectivity ANT-868-HETH. Он включен в качестве внешнего эталона для другой конфигурации антенны. Эти продукты имеют разные физические конструкции и способы крепления, поэтому сравнение призвано прояснить требования к выбору, а не напрямую ранжировать их характеристики.

Как оценить Kinghelm КХ-(868)-J505-JB

Kinghelm КХ-(868)-J505-JB Возможно, стоит рассмотреть этот вариант, если устройство позволяет использовать внешнюю резиновую антенну и её интерфейс SMA. Перед выбором убедитесь, что разъём, способ крепления, доступное пространство и предполагаемый рабочий диапазон соответствуют требованиям устройства.

Опубликованные технические характеристики радиочастотного диапазона служат первоначальной основой для проверки, но их не следует рассматривать как гарантию производительности в каждой установке. Конечный результат зависит от схемы питания, окружающих проводящих структур, ориентации антенны и условий эксплуатации. Проверьте актуальную документацию на изделие и оцените работу антенны в типичных условиях эксплуатации.

Использование внешнего эталонного продукта

TE Connectivity ANT-868-HETH представляет собой иной подход к интеграции: спиральный монопольный кабель, монтируемый через отверстия/выступы. Он может быть актуален, если компоновка печатной платы рассчитана на такой способ монтажа и позволяет обеспечить необходимую конфигурацию заземляющей плоскости.

Не следует предполагать, что его габариты и способ крепления будут совпадать. Kinghelm Внешняя антенна SMA. Изделие TE приведено для иллюстрации различий в конструкциях антенн, а не для того, чтобы утверждать, что эти два продукта являются прямой заменой.

Что нужно проверить перед заменой существующей антенны

При оценке альтернативных вариантов антенн инженеры и отдел закупок должны проверить три момента, прежде чем одобрить изменение:

• Механическая совместимость: разъем, способ крепления, доступное пространство, высота антенны и зазор.
• Электрическая совместимость: Диапазон рабочих частот, номинальное сопротивление, схема питания и требования к согласованию.
• Производительность на уровне системы: согласование, характеристики излучения и характеристики связи в конечном устройстве.

Также убедитесь, что текущая техническая документация, чертеж и соответствующая информация о соответствии точно соответствуют указанному номеру детали. Антенны с различными конструкциями или интерфейсами не следует рассматривать как прямую замену без проверки.

После того как кандидат успешно прошел первоначальную проверку технических характеристик и совместимости, следующим шагом является проверка его работы в готовом устройстве, а не полагаться только на опубликованные данные.

5. Проверка характеристик антенны в конечном устройстве.

Опубликованные технические характеристики полезны для отбора антенн, но они не могут в полной мере предсказать их характеристики после установки. Металлический корпус, батарея, дисплей, кабель или монтажный кронштейн могут изменить импеданс и характеристики излучения. По этой причине проверка антенны должна быть частью процесса разработки продукта, а не окончательной проверкой, откладываемой до утверждения в производстве.

1. Проверка электрики

Измерьте рабочий диапазон, S11 и КСВН с помощью соответствующей радиочастотной установки, затем сравните результаты со спецификацией антенны. Если резонанс смещается или согласование выходит за пределы требуемого диапазона, проверьте схему, согласующую сеть и условия установки.

2. Проверка интеграции

Повторите измерения с установленными окончательной печатной платой, заземляющей плоскостью, корпусом, батареей, дисплеем и основными проводящими элементами. Собранная конфигурация является релевантной, поскольку окружающая структура может влиять на поведение антенны.

3. Проверка излучения и качества связи

Оцените излучаемые характеристики и фактическое состояние канала связи в типичных положениях и условиях развертывания. Устройство, хорошо работающее в одном положении или тестовой среде, может вести себя иначе в предполагаемой установке.

4. Готовность к производству

Перед выпуском подтвердите соответствие экологическим, механическим и нормативным требованиям документации на изделие. При необходимости согласуйте критерии приемки и сохраните результаты испытаний для будущих изменений в конструкции или поставках.

Эти проверки служат разным целям. Измерение с помощью анализатора векторных цепей (VNA) оценивает согласование входного сигнала, тест на излучаемые характеристики оценивает поведение излучения, а тест канала связи проверяет связь в типичных условиях. Ни одна из них не может заменить другие.

После проверки выбранной антенны на соответствие механическим характеристикам и радиочастотным требованиям, остается подтвердить, что изделие и порядок его поставки подходят для данного проекта.

6. Заключительный контрольный список по выбору антенны на частоте 868 МГц

Перед утверждением антенны необходимо обсудить следующие вопросы с инженерным и закупочным отделами. Это поможет убедиться, что выбранная деталь соответствует как техническим требованиям устройства, так и потребностям проекта в закупках.

Информация, которую необходимо подготовить перед запросом коммерческого предложения или образца.

Подготовка следующей информации может повысить эффективность оценки продукции и взаимодействия с поставщиками:

• Целевой диапазон частот и регион применения.
• Доступное пространство для печатной платы и корпуса, ограничение по высоте антенны и предпочтительный способ крепления.
• Необходимый разъем или интерфейс подачи питания, если применимо.
• Текущая модель антенны и причина рассмотрения альтернативного варианта, если это проект замены.
• Ожидаемое применение, условия установки и определенные критерии тестирования радиочастотного или коммуникационного оборудования.
• Необходимое количество, сроки отбора проб, целевой производственный график и требования к документации.

Эти сведения помогают определить, подходит ли кандидат с механической точки зрения и какая информация или тестирование необходимы перед утверждением. Окончательный выбор все равно должен основываться на текущей официальной документации и проверке работоспособности готового устройства.

Для получения более подробной информации о Kinghelm KH-(868)-J505-JB, обзор странице продукта и доступной технической документации. Если вам необходимо обсудить требования к антенне на частоте 868 МГц, подтвердить характеристики продукта или оценить его пригодность для конкретного применения, посетите [ссылка]. Свяжитесь с нами на Kinghelm