868 MHz Anten Seçimi: PCB Montajlı Helisel, Kamçı ve Sub-GHz Anten Tasarımı

868 MHz kablosuz cihaz için anten seçimi, nominal çalışma frekansını eşleştirmekten daha fazlasını gerektirir. Mühendisler ayrıca bölgesel frekans planını, mevcut topraklama düzlemini, montaj yöntemini, kasa malzemelerini, radyasyon desenini ve uygulamanın gerektirdiği RF performansını da dikkate almalıdır. Bu faktörler özellikle LoRaWAN, LPWAN, uzaktan izleme, akıllı sayaçlar ve diğer Sub-GHz kablosuz sistemler için önemlidir.

Bu kılavuz, 868 MHz uygulamaları için PCB'ye monte edilmiş antenlerin, helisel monopol antenlerin ve harici kamçı tipi antenlerin nasıl değerlendirileceğini açıklamaktadır. Ayrıca pratik dalga boyu ve toprak düzlemi hesaplamalarını tanıtmakta ve temsili karşılaştırmalar yapmaktadır. Kinghelm TE Connectivity ANT-868-HETH ile uyumlu ürünleri tanıtıyor ve üretim öncesinde gerekli olan RF doğrulama adımlarını özetliyor.

1. Çalışma frekans bandını ve uygulama gereksinimlerini doğrulayın.

Anten seçmeden önce, cihazın kullandığı gerçek frekans aralığını ve hedef pazarında geçerli olan düzenlemeleri doğrulayın. 433 MHz, 470 MHz, 868 MHz ve 915 MHz terimleri yaygın olarak kullanılan alt-GHz frekans kategorilerini tanımlar, ancak bunlar birbirinin yerine kullanılamaz. Bölgesel tahsisler, izin verilen iletim gücü, görev döngüsü kısıtlamaları ve kanal planları değişiklik gösterir.

868 MHz frekansına göre tasarlanmış bir antenin, 915 MHz bandında da otomatik olarak iyi performans göstereceği varsayılmamalıdır. İki ürün benzer görünse bile, rezonans frekansları, eşleştirme ağları ve radyasyon özellikleri önemli ölçüde farklılık gösterebilir.

Yeni bir tasarım için, anten adaylarını belirlemeden önce aşağıdaki gereksinimleri belgeleyin:

• Çalışma frekansı: Sadece nominal merkez frekansını değil, gerçek frekans aralığını belirtin.
• Radyo teknolojisi: Uygulamanın LoRaWAN, başka bir LPWAN protokolü, telemetri veya özel bir Sub-GHz bağlantısı kullanıp kullanmadığını belirleyin.
• Kullanılabilir alan: PCB boyutlarını, boşluk alanını, muhafaza boyutlarını ve izin verilen anten yüksekliğini kaydedin.
• Montaj yöntemi: Tasarımın PCB üzerine monte edilen bir bileşen, delikli bir anten veya harici bir anten gerektirip gerektirmediğine karar verin.
• RF hedefleri: Kabul edilebilir empedans eşleşmesini, verimliliği, radyasyon kapsamını ve iletişim menzilini tanımlayın.
• Çevresel Gereklilikler: Sıcaklık, nem maruziyeti, titreşim ve kurulum yapılacak ortamı göz önünde bulundurun.

Kompakt bir anten, mekanik entegrasyonu basitleştirebilir, ancak boyut tek başına sistem performansını belirlemez. Anten, topraklama düzlemi, muhafaza, pil, kablolar ve yakındaki elektronik bileşenler de dahil olmak üzere tüm cihazla birlikte çalışmalıdır.

2. PCB'ye monte edilmiş, sarmal ve harici anten konfigürasyonlarını karşılaştırın.

Farklı anten yapıları, farklı mekanik ve RF kısıtlamalarına çözüm sunar. PCB üzerine monte edilmiş seramik bir anten yerden tasarruf sağlarken, sarmal bir monopol anten, monopol radyatörün kompakt bir uygulamasını sunar. Harici bir kamçı veya kauçuk anten, radyasyon elemanını bazı elektronik bileşenlerden uzaklaştırabilir ve konumlandırmada daha fazla esneklik sağlayabilir.

Alan Kısıtlamalı Cihazlar için PCB'ye Monte Edilen Antenler

PCB üzerine monte edilen bir anten, ürün muhafazası küçük olduğunda ve harici bir radyasyon elemanı istenmediğinde pratik bir seçenek olabilir. Bununla birlikte, antenin yayınlanan kazancı veya merkez frekansı, kurulumdan sonraki performansını tam olarak açıklamaz. PCB düzeni, topraklama düzlemi, eşleştirme bileşenleri ve çevredeki malzemeler rezonansı değiştirebilir ve radyasyon verimliliğini etkileyebilir.

PCB üzerine monte edilmiş bir anteni değerlendirirken, üreticinin önerdiği yerleşim ve uzak tutma gereksinimlerine uyun. Tasarım bu konfigürasyonda değerlendirilmediği sürece, pilleri, metal braketleri, ekran çerçevelerini, kalkanları veya diğer iletken yapıları yayıcı elemana çok yakın yerleştirmekten kaçının.

PCB anten entegrasyonu hakkında ek bilgi için, BLE Giyilebilir Cihazlar için Yama Anten mi, Çip Anten mi, PCB Anten mi başlıklı makaleye bakın . Makale giyilebilir cihaz entegrasyonuna odaklanmış olsa da, yerleşim ve boşluk prensipleri kompakt anten tasarımları planlanırken de faydalıdır.

Kompakt Sub-GHz Tasarımlar için Helisel Monopoller

Sarmal monopol, kompakt bir anten uygulaması sağlamak için iletken bir bobin yapısı kullanır. PCB ve mekanik tasarım, bileşenin montaj stiline ve boşluk gereksinimlerine uygun olduğunda, delikli varyantlar faydalı olabilir.

Her sarmal antenin elektriksel veya mekanik olarak bir diğeriyle değiştirilebilir olduğunu varsaymayın. Delikli montajlı ve yüzeye monte edilen versiyonların, belirli bir cihazda farklı ayak izleri, kurulum gereksinimleri ve performansları olabilir. PCB'yi değiştirmeden önce tam parça numarasını ve üretici çizimini doğrulayın.

Harici Kamçı ve Kauçuk Antenler

Muhafaza yapısı, antenin RF frekans kaymasının ana kaynaklarından uzakta konumlandırılmasına olanak sağladığında harici bir anten faydalı olabilir. Bu düzenleme, ağ geçitleri, izleme ekipmanları ve daha büyük bir anten profilinin kabul edilebilir olduğu cihazlar için uygun olabilir.

Antenin nominal frekansını, empedansını, kazanç özelliklerini, polarizasyonunu, montaj arayüzünü ve varsa kablo veya besleme düzenini kontrol edin. Son kurulum, amaçlanan çalışma ortamında mekanik dayanıklılık ve RF performansı açısından da değerlendirilmelidir.

3. Dalga Boyu ve Zemin Düzlemi Prensiplerini Uygulayın

Dalga boyu, anten boyutlarını anlamak için yararlı bir başlangıç ​​noktası sağlar. Ancak, yükleme, bobin geometrisi, dielektrik malzemeler, yakındaki iletkenler ve eşleştirme ağı gibi faktörler tasarımı etkilediğinden, tek başına pratik bir antenin nihai fiziksel boyutunu belirlemez.

868 MHz'deki dalga boyunu hesaplayın.

İlk tahmini hesaplama için aşağıdaki formülü kullanın:

Dalga boyu (λ) metre cinsinden ≈ 300 ÷ Frekans (MHz)

868 MHz'de:

• Dalga boyu: λ ≈ 300 ÷ 868 ≈ 0.346 m veya yaklaşık 346 mm.
• Çeyrek dalga boyu: λ/4 ≈ 86.4 mm.

Çeyrek dalga boyu sonucu, serbest uzayda basit bir monopol için teorik bir referanstır. Pratik bir anten, fiziksel olarak daha kısa olabilir veya yükleme ve ayarlama yoluyla farklı şekilde yapılandırılabilir. Etkin elektriksel uzunluğu ve performansı, anten yapısına ve kurulumuna bağlıdır.

Zemin Düzleminin Önemi

Tek kutuplu bir anten, topraklama yapısıyla birlikte çalışır. PCB topraklama düzlemi, montaj düzeni ve yakındaki iletken bileşenler, akım dağılımını ve radyasyon desenini etkiler. Üreticinin referans kurulumundan farklı bir topraklama düzlemi, empedans eşleşmesini ve elde edilen performansı değiştirebilir.

Örneğin, TE Connectivity ANT-868-HETH ürün bilgileri, anten dokümantasyonunda 38 × 84 mm'lik bir topraklama düzlemi referansı belirtmektedir. Bu, her 868 MHz anten için evrensel bir PCB boyutu gereksinimi olarak değil, değerlendirme için bir referans konfigürasyonu olarak ele alınmalıdır.

Baskılı devre kartını tasarlarken şu pratik adımları göz önünde bulundurun:

1. Anten üreticisinin önerdiği yerleşim düzenine, topraklama bağlantısına ve yasak bölgelere uyun.
2. Tasarım kılavuzunda belirtildiği üzere, iletken nesneleri ve hassas bileşenleri ışınım yapan bölümden uzak tutun.
3. Anten beslemesini ve eşleştirme ağını önerilen RF düzenine göre yerleştirin.
4. Tasarım sürecinde empedans ayarlaması gerekiyorsa, ayar bileşenleri için yer bırakın.
5. Sadece hesaplamalara veya çıplak PCB simülasyonuna güvenmek yerine, monte edilmiş üründeki anteni ölçün.

Daha detaylı tasarım hususları için, RF Anten Tasarımı: Orta Düzey Mühendisler İçin Pratik Bir Kılavuz adlı esere bakınız.

Eşleştirme ve Ölçüm

50 Ω empedans değeri kullanışlı bir arayüz referansıdır, ancak antenin nihai ürüne takıldığında 50 Ω'luk bir yük sunacağını garanti etmez. Anten ve PCB birlikte RF sistemini oluşturur.

Gerekli çalışma bandı üzerindeki giriş uyumunu değerlendirmek için bir vektör ağ analizörü (VNA) kullanın. S11 ve VSWR ölçümleri, rezonans kaymalarını ve uyum sorunlarını belirlemeye yardımcı olabilir. Mümkün olduğunca, toplam yayılan verimliliği, radyasyon desenlerini ve havadan iletişim performansını da değerlendirin.

Tek başına iyi bir S11 sonucu, yüksek radyasyon verimliliğini veya beklenen iletişim menzilini garanti etmez. İletkenlik kayıpları, dielektrik kayıpları, muhafaza etkileri, anten yönü ve alıcı ortamı, gerçek dünya sonuçlarını etkileyen faktörlerdir.

4. Karşılaştır Kinghelm TE ANT-868-HETH ile 868 MHz Ürünler

Ürünleri karşılaştırırken, elektriksel özellikler ile mekanik uyumluluk arasında ayrım yapın. Kompakt PCB'ye monte edilmiş bir anten, harici kauçuk bir anten ve delikli sarmal monopol antenin hepsi Sub-GHz tasarımları için düşünülebilir, ancak farklı entegrasyon gereksinimlerine hizmet ederler.

Temsilci Kinghelm Ürünler

Önemli: Yukarıdaki değerler, üretici tarafından belirtilen ürün özellikleridir, kontrollü ve aynı koşullar altında yapılan bir performans karşılaştırması değildir. Ölçüm tanımları ve test koşulları karşılaştırılabilir olmadıkça, kazanç değerleri doğrudan eşdeğer olarak yorumlanmamalıdır. Nihai tasarım, amaçlanan PCB, muhafaza ve kurulum ortamında değerlendirilmelidir.

Karşılaştırmayı Nasıl Yorumlamalıyız?

KH-10032-A83, 868 MHz merkez frekansı ve 10 MHz bant genişliği ile kompakt, PCB'ye monte edilebilen bir seçenektir. Tasarımda küçük bir anten boyutuna öncelik verildiğinde, gerekli çalışma bandına ve üreticinin yerleşim kılavuzuna bağlı olarak değerlendirilmeye değer olabilir.

KH-(868)-J505-JB, 868 MHz nominal frekansa, 50 Ω empedansa ve 2.0 dBi kazanıma sahip kauçuk bir anten olarak listelenmiştir. PCB üzerine monte edilmiş seramik antenden farklı bir entegrasyon yaklaşımını temsil eder ve ürünün mekanik tasarımı harici veya ayrı olarak monte edilmiş bir anteni barındırdığında dikkate alınabilir.

TE ANT-868-HETH, üretici tarafından 862–870 MHz frekans aralığında çalıştığı belirtilen, delikli helisel monopol antendir. Montaj şekli ve elektriksel özellikleri, hedef ürünün gerçek gereksinimlerine göre değerlendirilmelidir.

Bunlar Kinghelm Ürünler, doğrulama yapılmadan TE ANT-868-HETH için doğrudan takılabilir yedek parça olarak tanımlanmamalıdır. Montaj, topraklama düzlemi etkileşimi, eşleştirme, mekanik boşluk ve RF performansındaki farklılıklar PCB veya kasa değişiklikleri gerektirebilir. Üretim için onaylamadan önce seçilen ürünün tam boyutlarını, arayüzünü ve uyumluluk belgelerini doğrulayın.

5. Son Cihazda RF Performansını Doğrulayın

Doğru şekilde tanımlanmış bir anten bile entegrasyon sonrasında farklı davranabilir. Metal bir muhafaza, pil, ekran, kablo, montaj braketi veya yakındaki bir devre, antenin empedansını ve radyasyon özelliklerini değiştirebilir. Bu nedenle, anten doğrulaması, son tedarik kontrolü yerine ürün geliştirme sürecinin bir parçası olmalıdır.

Önerilen Doğrulama Kontrol Listesi

• Frekans kapsamı: Antenin gerekli tüm kanalları ve ilgili bölgesel frekans bandını kapsadığından emin olun.
• Empedans eşleştirme: Uygun bir RF test düzeneği kullanarak çalışma aralığı boyunca S11 veya VSWR değerlerini ölçün.
• Radyasyon verimliliği: Test olanakları elverdiği ölçüde, temsili bir şekilde monte edilmiş bir cihazda radyasyon performansını değerlendirin.
• Oryantasyon: Antenin planlanan yönünü ve ürünün kullanım sırasındaki beklenen konumunu değerlendirin.
• Zemin düzlemi etkileri: Son PCB düzenini, üreticinin önerdiği veya referans konfigürasyonuyla karşılaştırın.
• Kapalı alan etkileri: Son kasa, pil, ekran ve ana iletken parçalar takılıyken test edin.
• İletişim performansı: Anten kazancına tek başına güvenmek yerine, temsili çalışma koşulları altında gerçek radyo bağlantısını test edin.
• Çevresel uygunluk: Ürün dokümanına göre sıcaklık, nem, titreşim ve mekanik gereksinimleri doğrulayın.
• Mevzuata uygunluk: Üretilen cihazın hedef pazardaki ilgili radyo ve ürün gereksinimlerini karşıladığını doğrulayın.

Ürün LoRaWAN veya başka bir uzun menzilli kablosuz uygulama için tasarlanmışsa, testler gerçek dağıtım ortamını yansıtmalıdır. Kurulum yüksekliği, anten yönü, engeller, parazit ve alıcı anten, bağlantı performansını etkileyebilir.

PCB üzerine monte edilen tasarımlar için, ilk RF ölçümlerinde ayarlama yapılması gerektiği görülürse, eşleştirme ağı ayarlamaları için yeterli alan bırakın. Herhangi bir bileşen değişikliği belgelenmeli ve üretimde kullanılan temsili donanım üzerinde doğrulanmalıdır.

6. Bilinçli Bir Alt-GHz Tasarım ve Tedarik Kararı Verin

Pratik bir Sub-GHz anten seçimi, hedef frekans bandıyla başlar ve mekanik entegrasyon, RF doğrulaması ve kaynak incelemesiyle devam eder. En küçük anten her zaman en iyi seçim olmayabilir ve daha yüksek bir kazanç değeri her üründe daha iyi performansı garanti etmez.

Kompakt bir cihaz için, listelenen frekans aralığı ve yerleşim gereksinimleri tasarımla eşleştiğinde, KH-10032-A83 gibi PCB'ye monte edilmiş bir anten değerlendirme için aday olabilir. Ayrı olarak monte edilmiş bir anten daha uygun olduğunda, KH-(868)-J505-JB değerlendirilecek başka bir form faktörü sunar. Delikli helisel monopol gerektiren tasarımlar için, TE ANT-868-HETH, bu konfigürasyonu değerlendirmek için üretici tarafından belgelenmiş bir referans sağlar.

Malzeme listesini kesinleştirmeden önce, tam modeli, çalışma bandını, mekanik çizimi, empedansı, kazanç ölçüm koşullarını, montaj arayüzünü ve ilgili uyumluluk bilgilerini doğrulayın. Mevcut bir anteni değiştiriyorsanız, yalnızca nominal frekansa güvenmek yerine, hem mekanik uyumu hem de RF performansını gerçek cihazda test edin.

KinghelmAnten portföyümüz, farklı kablosuz entegrasyon gereksinimlerine yönelik ürünler içermektedir. Mühendisler ve satın alma ekipleri, yayınlanan ürün özelliklerini inceleyebilir ve üretim için bir parça seçmeden önce amaçlanan uygulamaya uygunluğunu teyit edebilirler.

Anten entegrasyonu konusunda daha fazla bilgi için, "Bluetooth Anteni Nasıl Seçilir? Yama Antenlerden Seramiğe" başlıklı makaleyi okuyabilirsiniz . Makalenin odak noktası Bluetooth olsa da, anten yapısının mevcut ürün alanına ve entegrasyon kısıtlamalarına uygunluğu hakkında ek bilgiler sunmaktadır.

Referanslar

1. TE Bağlantısı, ANT-868-HETH Ürün Sayfası.
2. TE Bağlantısı, Anten Kataloğu.
3. Kinghelm, Anten Ürün Listeleri.
4. Kinghelm, Kauçuk Anten Ürün Listeleri.
5. Kinghelm, RF Anten Tasarımı: Orta Düzey Mühendisler İçin Pratik Bir Kılavuz.
6. Kinghelm, BLE Giyilebilir Cihazlar için Yama Anten, Çip Anten ve PCB Anten Karşılaştırması.
7. Kinghelm, Bluetooth Anteni Nasıl Seçilir? Yama Antenlerden Seramik Antenlere Kadar.