Выбор антенны для частоты 868 МГц: спиральная, штыревая и субгигагерцовая антенны для монтажа на печатную плату.

Выбор антенны для беспроводного устройства, работающего на частоте 868 МГц, включает в себя не только согласование с номинальной рабочей частотой. Инженеры также должны учитывать региональный частотный план, доступную заземляющую плоскость, способ монтажа, материалы корпуса, диаграмму направленности и требуемые радиочастотные характеристики для конкретного приложения. Эти факторы особенно важны для LoRaWAN, LPWAN, удаленного мониторинга, интеллектуального учета и других беспроводных систем в диапазоне ниже гигагерц.

В этом руководстве объясняется, как оценивать антенны, монтируемые на печатные платы, спиральные монополи и внешние штыревые антенны для применения в диапазоне 868 МГц. Также в нем представлены практические расчеты длины волны и заземляющей плоскости, а также проведено сравнение типичных антенн. Kinghelm В документе описываются продукты, использующие модуль TE Connectivity ANT-868-HETH, а также этапы проверки радиочастотной совместимости, необходимые перед началом производства.

1. Подтвердите рабочий диапазон и требования к приложениям.

Перед выбором антенны необходимо убедиться в фактическом диапазоне частот, используемых устройством, и в правилах, действующих на целевом рынке. Термины 433 МГц, 470 МГц, 868 МГц и 915 МГц описывают часто используемые категории частот в диапазоне ниже ГГц, но они не взаимозаменяемы. Региональные квоты, допустимая мощность передачи, ограничения по рабочему циклу и планы каналов могут различаться.

Не следует автоматически предполагать, что антенна, разработанная для диапазона 868 МГц, будет хорошо работать в диапазоне 915 МГц. Даже если два изделия выглядят похожими, их резонансные частоты, согласующие цепи и характеристики излучения могут значительно отличаться.

При разработке новой конструкции, прежде чем отбирать кандидатов на роль антенны, необходимо задокументировать следующие требования:

• Рабочая частота: Укажите фактический диапазон частот, а не только номинальную центральную частоту.
• Радиотехника: Определите, использует ли приложение протокол LoRaWAN, другой протокол LPWAN, телеметрию или собственную технологию передачи данных в диапазоне Sub-GHz.
• Доступное пространство: Запишите размеры печатной платы, площадь зазора, размеры корпуса и допустимую высоту антенны.
• Способ крепления: Определите, требуется ли для данной конструкции компонент, монтируемый на печатную плату, антенна, устанавливаемая в отверстия, или внешняя антенна.
• Цели радиочастотного диапазона: Определите допустимые параметры согласования импеданса, эффективности, зоны излучения и дальности связи.
• Требования к окружающей среде: Учитывайте температуру, воздействие влаги, вибрацию и предполагаемые условия установки.

Компактная антенна может упростить механическую интеграцию, но размер сам по себе не определяет производительность системы. Антенна должна работать со всем устройством в целом, включая заземляющую плоскость, корпус, батарею, кабели и расположенные рядом электронные компоненты.

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

Различные конструкции антенн позволяют учитывать разные механические и радиочастотные ограничения. Керамическая антенна, монтируемая на печатную плату, помогает сэкономить место, а спиральная монопольная антенна обеспечивает компактную реализацию монопольного излучателя. Внешняя штыревая или резиновая антенна позволяет отодвинуть излучающий элемент от части электроники и обеспечивает большую гибкость в размещении.

Антенны, монтируемые на печатные платы, для устройств с ограниченным пространством.

Антенна, устанавливаемая на печатную плату, может быть практичным вариантом, когда корпус изделия невелик и внешний излучающий элемент нежелателен. Однако заявленные коэффициент усиления или центральная частота антенны не в полной мере описывают её характеристики после установки. Расположение элементов на печатной плате, заземляющая плоскость, согласующие компоненты и окружающие материалы могут смещать резонанс и влиять на эффективность излучения.

При оценке антенны, монтируемой на печатную плату, следуйте рекомендациям производителя по компоновке и соблюдению требований к удалению от источника излучения. Избегайте размещения батарей, металлических кронштейнов, рамок дисплеев, экранов или других проводящих конструкций слишком близко к излучающему элементу, если конструкция не была протестирована в такой конфигурации.

Для получения дополнительной информации об интеграции антенн на печатные платы см. статью « Антенны типа «патч», «чип» и «печатная плата» для носимых BLE -устройств». Хотя статья посвящена интеграции в носимые устройства, изложенные в ней принципы компоновки и обеспечения зазоров также полезны при планировании компактных конструкций антенн.

Спиральные монополи для компактных конструкций в диапазоне частот ниже ГГц

В спиральной монопольной антенне используется проводящая катушечная структура, обеспечивающая компактное исполнение. Варианты с выводами для монтажа в отверстия могут быть полезны, когда конструкция печатной платы и механические компоненты позволяют использовать их для установки и обеспечения необходимого зазора.

Не следует предполагать, что каждая спиральная антенна электрически или механически взаимозаменяема с другой. Версия для сквозного монтажа и версия для поверхностного монтажа могут иметь разные габариты, требования к установке и характеристики в конкретном устройстве. Перед внесением изменений в печатную плату подтвердите точный номер детали и чертеж производителя.

Внешние штыревые и резиновые антенны

Внешняя антенна может быть полезна, если корпус позволяет разместить антенну вдали от основных источников расстройки радиочастотного сигнала. Такое расположение может подойти для шлюзов, оборудования мониторинга и устройств, где допустимы большие размеры антенны.

Проверьте номинальную частоту антенны, импеданс, коэффициент усиления, поляризацию, тип крепления и схему подключения кабеля или питающего элемента, если применимо. Также следует оценить механическую прочность и радиочастотные характеристики готовой установки в предполагаемых условиях эксплуатации.

3. Применение принципов длины волны и плоскости заземления.

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

Рассчитайте длину волны на частоте 868 МГц.

Для получения предварительной оценки используйте следующую формулу:

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

На частоте 868 МГц:

• Длина волны: λ ≈ 300 ÷ 868 ≈ 0.346 м, или приблизительно 346 мм.
• Четверть длины волны: λ/4 ≈ 86.4 мм.

Результат для четверти длины волны представляет собой теоретическую основу для простой монопольной антенны в свободном пространстве. Практическая антенна может быть физически короче или иметь другую конфигурацию за счет нагрузки и настройки. Ее эффективная электрическая длина и характеристики зависят от конструкции антенны и способа ее установки.

Почему важна плоскость земли

Монопольная антенна работает совместно со своей заземляющей структурой. Плоскость заземления печатной платы, схема монтажа и расположенные рядом проводящие компоненты влияют на распределение тока и диаграмму направленности излучения. Плоскость заземления, отличающаяся от эталонной конфигурации производителя, может изменить согласование импеданса и фактические характеристики.

Например, в документации к антенне TE Connectivity ANT-868-HETH указана эталонная заземляющая плоскость размером 38 × 84 мм. Это следует рассматривать как эталонную конфигурацию для оценки, а не как универсальное требование к размеру печатной платы для каждой антенны 868 МГц.

При проектировании печатной платы следует учитывать следующие практические шаги:

1. Следуйте рекомендациям производителя антенны относительно схемы подключения, заземления и зоны, запрещенной для использования.
2. В соответствии с рекомендациями по проектированию, следует располагать токопроводящие предметы и чувствительные компоненты вдали от излучающей секции.
3. Разместите антенный фидер и согласующую цепь в соответствии с рекомендуемой схемой радиочастотного подключения.
4. Предусмотрите место для настроечных компонентов, если процесс проектирования требует регулировки импеданса.
5. Измерьте параметры антенны в собранном изделии, а не полагайтесь только на расчеты или моделирование на печатной плате без дополнительных компонентов.

Более подробные сведения о проектировании см. в книге «Проектирование радиочастотных антенн: практическое руководство для инженеров среднего уровня».

Подбор и измерение

Указание импеданса 50 Ом является полезным ориентиром для интерфейса, но оно не гарантирует, что антенна будет представлять собой нагрузку 50 Ом при установке в готовое изделие. Антенна и печатная плата вместе образуют радиочастотную систему.

Используйте векторный анализатор цепей (VNA) для оценки согласования входного сигнала в требуемом рабочем диапазоне. Измерения S11 и КСВ могут помочь выявить сдвиги резонанса и проблемы согласования. По возможности также оцените общую эффективность излучения, диаграммы направленности и характеристики беспроводной связи.

Хороший результат S11 сам по себе не гарантирует высокой эффективности излучения или ожидаемой дальности связи. На реальные результаты влияют потери на проводимость, диэлектрические потери, влияние корпуса, ориентация антенны и условия окружающей среды приемника.

4. сравнить Kinghelm Продукция, работающая на частоте 868 МГц, с использованием модуля TE ANT-868-HETH.

При сравнении изделий следует различать электрические характеристики и механическую совместимость. Для субгигагерцовых схем можно рассмотреть компактную антенну, монтируемую на печатную плату, внешнюю резиновую антенну и спиральную монопольную антенну, устанавливаемую в отверстия, но они отвечают разным требованиям к интеграции.

Представитель Kinghelm Продукты

Важно: Приведенные выше значения являются техническими характеристиками продукта, указанными производителем, а не результатом контролируемого сравнения характеристик в одинаковых условиях. Показатели усиления не следует интерпретировать как прямо эквивалентные, если определения измерений и условия испытаний не сопоставимы. Окончательная конструкция должна быть оценена в предполагаемой печатной плате, корпусе и условиях установки.

Как интерпретировать сравнение

KH-10032-A83 — это компактная антенна для монтажа на печатную плату с заявленной центральной частотой 868 МГц и полосой пропускания 10 МГц. Ее стоит рассмотреть, если в проекте приоритет отдается компактным размерам антенны, с учетом требуемого рабочего диапазона и рекомендаций производителя по компоновке.

Антенна KH-(868)-J505-JB указана как резиновая антенна с номинальной частотой 868 МГц, импедансом 50 Ом и коэффициентом усиления 2.0 дБи. Она представляет собой иной подход к интеграции по сравнению с керамической антенной, монтируемой на печатной плате, и может рассматриваться в тех случаях, когда механическая конструкция изделия предусматривает возможность установки внешней или отдельно монтируемой антенны.

TE ANT-868-HETH — это монопольная спиральная антенна для монтажа в отверстия, заявленная производителем рабочая частота которой составляет 862–870 МГц. Способ монтажа и электрические характеристики следует оценивать с учетом фактических требований целевого изделия.

Эти Kinghelm Не следует позиционировать продукцию как прямую замену TE ANT-868-HETH без предварительной проверки. Различия в монтаже, взаимодействии с заземляющей плоскостью, согласовании, механическом зазоре и радиочастотных характеристиках могут потребовать изменения печатной платы или корпуса. Перед утверждением продукта для производства необходимо подтвердить точные размеры, интерфейс и документацию, подтверждающую соответствие требованиям.

5. Проверка характеристик радиочастотного сигнала в конечном устройстве.

Даже правильно подобранная антенна может вести себя по-разному после интеграции. Металлический корпус, батарея, дисплей, кабель, монтажный кронштейн или расположенная рядом схема могут изменить импеданс и характеристики излучения антенны. По этой причине проверка антенны должна быть частью процесса разработки продукта, а не окончательной проверкой при выборе поставщика.

Рекомендуемый контрольный список для проверки

• Частотный диапазон: Убедитесь, что антенна охватывает все необходимые каналы и соответствующий региональный диапазон.
• Согласование импеданса: Измерьте значение S11 или КСВН в рабочем диапазоне, используя соответствующую схему для радиочастотных испытаний.
• Эффективность излучения: Оцените излучаемые характеристики репрезентативного собранного устройства, когда это позволяют испытательные ресурсы.
• Ориентация: Оцените предполагаемую ориентацию антенны и ожидаемое положение изделия во время использования.
• Эффекты плоскости земли: Сравните окончательную разводку печатной платы с рекомендованной производителем или эталонной конфигурацией.
• Эффекты замкнутого пространства: Проведите тестирование с установленным корпусом, батареей, дисплеем и основными токопроводящими компонентами.
• Эффективность коммуникации: Проверьте работу радиосвязи в реальных условиях эксплуатации, а не полагайтесь только на коэффициент усиления антенны.
• Экологическая пригодность: Проверьте соответствие требованиям по температуре, влажности, вибрации и механическим характеристикам, указанным в документации на изделие.
• Соответствие нормативным требованиям: Убедитесь, что готовое устройство соответствует соответствующим требованиям к радиооборудованию и продукции на целевом рынке.

Если продукт предназначен для LoRaWAN или других беспроводных приложений дальнего действия, тестирование должно отражать реальные условия развертывания. Высота установки, ориентация антенны, препятствия, помехи и приемная антенна — все это может влиять на производительность канала связи.

Для схем, монтируемых на печатную плату, оставьте достаточно места для регулировки согласующей цепи, если первоначальные ВЧ-измерения покажут необходимость настройки. Любые изменения компонентов должны быть задокументированы и проверены на оборудовании, соответствующем серийному производству.

6. Примите взвешенное решение о проектировании и выборе поставщиков в диапазоне частот ниже ГГц.

Практическое решение по выбору антенны для диапазона частот ниже 1 ГГц начинается с целевого частотного диапазона и продолжается на этапах механической интеграции, проверки радиочастотных характеристик и анализа поставщиков. Самая маленькая антенна не обязательно является лучшим выбором, и более высокое заявленное значение коэффициента усиления не гарантирует лучшей производительности в каждом изделии.

Для компактных устройств в качестве варианта для оценки может подойти антенна, монтируемая на печатную плату, например, KH-10032-A83, если указанный диапазон частот и требования к компоновке соответствуют проекту. Если более целесообразна антенна, монтируемая отдельно, KH-(868)-J505-JB предлагает еще один форм-фактор для оценки. Для конструкций, требующих сквозного спирального монополя, TE ANT-868-HETH предоставляет документированное производителем справочное руководство по оценке такой конфигурации.

Перед окончательным утверждением спецификации материалов подтвердите точную модель, рабочий диапазон, чертеж, импеданс, условия измерения коэффициента усиления, интерфейс монтажа и соответствующую информацию о соответствии стандартам. При замене существующей антенны проверьте как механическую совместимость, так и радиочастотные характеристики на реальном устройстве, а не полагайтесь только на номинальную частоту.

KinghelmАссортимент антенн компании включает продукцию для различных задач интеграции беспроводных систем. Инженеры и специалисты по закупкам могут ознакомиться с опубликованными техническими характеристиками продукции и подтвердить ее пригодность для предполагаемого применения, прежде чем выбрать компонент для производства.

Для получения дополнительных рекомендаций по интеграции антенн, прочитайте статью «Как выбрать антенну Bluetooth? От патч-антенны до керамической» . Хотя основное внимание в статье уделяется Bluetooth, она также предоставляет дополнительную информацию о подборе конструкции антенны в соответствии с доступным пространством и ограничениями интеграции.

Референсы

1. TE-связь, Страница товара ANT-868-HETH.
2. TE-связь, Каталог антенн.
3. Kinghelm, Список антенной продукции.
4. Kinghelm, Список резиновых антенн.
5. Kinghelm, Проектирование радиочастотных антенн: практическое руководство для инженеров среднего уровня..
6. Kinghelm, Патч-антенна, чип-антенна и печатная плата для носимых BLE-устройств.
7. Kinghelm, Как выбрать Bluetooth-антенну? От патч-антенны до керамической..