Cách chọn ăng-ten 868 MHz cho các ứng dụng dưới GHz

Kinghelm Ăng-ten ngoài KH-(868)-J505-JB 868 MHz với đầu nối SMA

Công nghệ không dây dưới GHz được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng như giám sát từ xa, cảm biến công nghiệp, đo lường và các thiết bị IoT công suất thấp. Trong các hệ thống này, ăng-ten đóng vai trò quan trọng trong việc quyết định hiệu quả truyền và nhận tín hiệu vô tuyến của thiết bị. Do đó, việc lựa chọn ăng-ten phù hợp đòi hỏi nhiều hơn là chỉ khớp tần số danh nghĩa hoặc chọn linh kiện nhỏ nhất hiện có.

Đối với thiết kế 868 MHz, các kỹ sư cần xem xét băng thông hoạt động, không gian lắp đặt sẵn có, cấu trúc anten, mặt phẳng tiếp đất PCB và vỏ bọc xung quanh. Nhóm mua hàng cũng cần xác minh khả năng tương thích cơ học, tài liệu kỹ thuật, tính khả dụng của mẫu và yêu cầu cung ứng trước khi phê duyệt một linh kiện.

Hướng dẫn này giải thích cách chọn ăng-ten 868 MHz cho các ứng dụng dưới GHz, từ việc xác định các yêu cầu thiết kế ban đầu đến việc so sánh các cấu hình ăng-ten và kiểm chứng hiệu suất trong thiết bị hoàn chỉnh. Nó cũng giới thiệu... Kinghelm KH-(868)-J505-JB là ứng cử viên sản phẩm và sử dụng ăng-ten TE Connectivity làm tham chiếu bên ngoài cho một phương pháp lắp đặt khác.

1. Xác định dải tần số và các yêu cầu thiết kế

Bước đầu tiên trong việc lựa chọn anten là xác nhận dải tần hoạt động của thiết bị và các yêu cầu về sóng vô tuyến tại thị trường mục tiêu. Mặc dù các anten 433 MHz, 470 MHz, 868 MHz và 915 MHz đều thuộc loại Sub-GHz rộng hơn, nhưng chúng được thiết kế cho các dải tần khác nhau và không thể tự động sử dụng thay thế cho nhau.

Ứng dụng dự định và khu vực triển khai giúp xác định băng tần phù hợp. Sau khi xác định được băng tần, băng thông, cách bố trí lắp đặt và hiệu suất RF của anten có thể được đánh giá so với các yêu cầu của thiết bị.

Không nên tự động cho rằng một ăng-ten được chỉ định hoạt động ở tần số khoảng 868 MHz sẽ bao phủ hiệu quả dải tần 915 MHz. Ngay cả những ăng-ten có hình dáng vật lý tương tự cũng có thể có đặc tính cộng hưởng, phối hợp trở kháng và bức xạ khác nhau.

Trước khi so sánh các mẫu anten, hãy ghi lại bốn yêu cầu cơ bản:

• Tần số hoạt động: Hãy xác định toàn bộ dải tần số cần thiết cho hệ thống vô tuyến, thay vì chỉ dựa vào tần số trung tâm danh nghĩa.
• Không gian lắp đặt: Ghi lại diện tích PCB khả dụng, vùng cấm, kích thước vỏ hộp và chiều cao ăng-ten cho phép.
• Cấu hình lắp đặt: Xác định xem sản phẩm có thể tích hợp ăng-ten gắn trên mạch in, ăng-ten xuyên lỗ hoặc ăng-ten ngoài hay không.
• Hiệu suất RF: Xác định băng thông cần thiết, sự phù hợp trở kháng, phạm vi phủ sóng và hiệu suất truyền thông.

Những yêu cầu này cung cấp một điểm khởi đầu thực tế để thu hẹp các lựa chọn khả dụng. Sau khi xác định dải tần số và các ràng buộc vật lý, bước tiếp theo là xác định cấu trúc anten nào phù hợp nhất với thiết kế sản phẩm.

2. So sánh các cấu hình anten gắn trên mạch in, anten xoắn ốc và anten ngoài.

Các cấu trúc anten khác nhau giải quyết các thách thức tích hợp khác nhau. Một anten nhỏ gọn gắn trên PCB có thể phù hợp với thiết bị có không gian hạn chế, trong khi một anten đơn cực xoắn ốc xuyên lỗ hoặc một anten ngoài có thể phù hợp hơn khi bố cục cơ khí cho phép cách lắp đặt khác.

Việc lựa chọn nên dựa trên thiết kế vật lý và yêu cầu về tần số vô tuyến (RF) của thiết bị chứ không chỉ dựa vào vẻ bề ngoài. Bảng so sánh sau đây có thể giúp các kỹ sư lập danh sách rút gọn ban đầu trước khi xem xét kỹ lưỡng các thông số kỹ thuật của từng sản phẩm.

Cách sử dụng phép so sánh này:
Hãy coi đó như một cách để thu hẹp các lựa chọn về mặt cơ khí, chứ không phải là sự đảm bảo về hiệu suất RF. Một ăng-ten nhỏ gọn không tự động là lựa chọn tốt nhất nếu hiệu suất lắp đặt hoặc biên độ liên kết của nó không đủ. Tương tự, một ăng-ten ngoài có thể mang lại sự linh hoạt hơn trong việc bố trí, nhưng đầu nối và cáp cấp nguồn của nó sẽ trở thành một phần của đường dẫn RF.

Các thuật ngữ gốm, miếng dán, chip, xoắn ốc và roi không mô tả cùng một loại phân loại. Một số đề cập đến vật liệu hoặc hình dạng đóng gói, trong khi những thuật ngữ khác mô tả cấu hình bộ tản nhiệt. Vì lý do đó, hướng dẫn lắp đặt và cấu tạo chính xác luôn cần được kiểm tra trong tài liệu của nhà sản xuất.

Ăng-ten gắn trên PCB

Việc xem xét sử dụng ăng-ten gắn trên mạch in (PCB) rất đáng giá khi vỏ thiết bị nhỏ gọn và không thể sử dụng bộ bức xạ ngoài. Tuy nhiên, độ lợi và tần số trung tâm được công bố của nó không tự động dự đoán được hiệu suất khi lắp đặt. Bố trí mạch in, mặt phẳng tiếp đất, các linh kiện phù hợp và các vật liệu xung quanh có thể làm thay đổi tần số cộng hưởng hoặc giảm hiệu suất bức xạ.

Hãy tuân theo hướng dẫn của nhà sản xuất về sơ đồ bố trí, kết nối tiếp đất và khoảng cách an toàn. Pin, giá đỡ kim loại, khung màn hình, tấm chắn và các bộ phận dẫn điện khác có thể ảnh hưởng đến hoạt động của anten nếu chúng được đặt quá gần phần bức xạ.

Để hiểu rõ hơn về các vấn đề cần cân nhắc khi tích hợp, hãy xem bài viết "Từ thiết kế đến ứng dụng: Hé lộ các công nghệ cốt lõi của ăng-ten PCB" . Bài viết " Ăng-ten dạng miếng dán so với dạng chip so với ăng-ten PCB cho thiết bị đeo BLE" cũng thảo luận về việc tích hợp thiết bị nhỏ gọn, mặc dù bối cảnh BLE của bài viết không có nghĩa là các ăng-ten đó có thể được thay thế bằng thiết kế 868 MHz.

Đơn cực xoắn ốc

Một anten đơn cực xoắn ốc sử dụng dây dẫn cuộn để đóng gói anten đơn cực thành một hình dạng nhỏ gọn hơn. Phiên bản xuyên lỗ có thể phù hợp với thiết kế có thể đáp ứng được bố trí chân đế, nối đất, khoảng cách giữa các linh kiện và chiều cao lắp đặt của nó.

Mặc dù ăng-ten xoắn ốc có thể giảm chiều dài vật lý của bộ tản nhiệt, nhưng hiệu suất thực tế phụ thuộc vào thiết kế cụ thể và điều kiện lắp đặt. Hãy xác nhận chính xác số hiệu linh kiện, kích thước chân đế, yêu cầu nối đất và bản vẽ kỹ thuật trước khi thay đổi bố cục mạch in.

Ăng-ten roi và ăng-ten cao su bên ngoài

Ăng-ten roi hoặc ăng-ten cao su bên ngoài có thể đặt bộ bức xạ bên ngoài vỏ thiết bị, giảm khoảng cách đến một số nguồn gây lệch tần số bên trong. Cấu hình này có thể phù hợp với các thiết bị cổng kết nối, thiết bị giám sát và các sản phẩm khác mà kích thước lớn hơn là chấp nhận được.

Trước khi chọn ăng-ten ngoài, hãy kiểm tra tần số hoạt động, trở kháng danh nghĩa, độ lợi công bố, phân cực, giao diện lắp đặt và bố trí bộ cấp nguồn. Tổn thất của cáp và đầu nối cũng cần được xem xét, và giá đỡ cơ học phải phù hợp với vị trí lắp đặt dự định.

Sau khi xác định được cấu trúc phù hợp, bước tiếp theo là kiểm tra các điều kiện thiết kế RF để xác định xem ăng-ten có thể hoạt động như mong đợi trong thiết bị thực tế hay không.

3. Hiểu về bước sóng, mặt phẳng tiếp đất và sự phù hợp trở kháng

Việc lựa chọn cấu trúc anten chỉ là một phần của quá trình lựa chọn. Ngay cả một anten được thiết kế cho tần số chính xác cũng có thể hoạt động khác nhau khi được lắp đặt trên một bo mạch in khác hoặc bên trong một vỏ bọc khác. Bước sóng, thiết kế mặt phẳng tiếp đất, sự phù hợp trở kháng và các vật liệu xung quanh đều ảnh hưởng đến kết quả cuối cùng.

Bước sóng ở 868 MHz

Bước sóng cung cấp một điểm khởi đầu hữu ích để hiểu về kích thước anten, nhưng nó không quyết định kích thước vật lý cuối cùng của mọi anten thực tế. Tải, hình dạng cuộn dây, vật liệu điện môi, các dây dẫn lân cận và mạch phối hợp trở kháng đều ảnh hưởng đến thiết kế.

Để ước tính ban đầu, bước sóng trong không gian tự do có thể được tính bằng công thức sau:

Bước sóng (λ) tính bằng mét ≈ 300 ÷ Tần số (MHz)

• Ở tần số 868 MHz: λ ≈ 300 ÷ 868 ≈ 0.346 m, hay khoảng 346 mm.
• Bước sóng một phần tư trong không gian tự do: λ/4 ≈ 86.4 mm.

Ý nghĩa của ước lượng một phần tư bước sóng

Giá trị 86.4 mm là giá trị tham chiếu trong không gian tự do cho một ăng-ten đơn cực sóng một phần tư đơn giản, chứ không phải là chiều dài vật lý bắt buộc đối với mọi ăng-ten 868 MHz. Các thiết kế dạng xoắn ốc, gốm và có tải có thể ngắn hơn. Chiều dài điện, sự phù hợp trở kháng và hiệu suất khi lắp đặt có ý nghĩa hơn là chỉ dựa vào chiều dài cơ học.

Mặt phẳng nối đất và bố trí mạch in (PCB).

Cấu hình mặt phẳng tiếp đất cần thiết phụ thuộc vào thiết kế anten. Các bố trí tham khảo của nhà sản xuất chỉ là hướng dẫn cụ thể cho từng sản phẩm, chứ không phải là kích thước PCB phổ quát. Mặt phẳng tiếp đất khác với cấu hình tham khảo có thể làm thay đổi trở kháng đầu vào và kiểu bức xạ.

Ví dụ, tài liệu của TE Connectivity về ANT-868-HETH sử dụng mặt phẳng tiếp đất tham chiếu có kích thước 38 × 84 mm. Đây là cấu hình tham chiếu để đánh giá sản phẩm đó, chứ không phải là yêu cầu về kích thước PCB cho mọi ăng-ten 868 MHz.

Trong quá trình thiết kế bố cục mạch in (PCB), các kỹ sư cần:

1. Tuân thủ sơ đồ bố trí mặt bằng, kết nối đất và các yêu cầu về vùng cấm của nhà sản xuất.
2. Nên giữ các vật dẫn điện và các linh kiện nhạy cảm tránh xa khu vực phát xạ nếu hướng dẫn thiết kế yêu cầu.
3. Hãy bố trí đường cấp nguồn và mạch phối hợp trở kháng theo sơ đồ bố trí RF được khuyến nghị.
4. Hãy chừa chỗ cho các linh kiện điều chỉnh nếu cần điều chỉnh trở kháng.
5. Hãy đo ăng-ten trên sản phẩm đã lắp ráp hoàn chỉnh thay vì chỉ dựa vào bo mạch thử nghiệm riêng lẻ hoặc mô phỏng.

Để được hướng dẫn thiết kế thêm, hãy xem cuốn "Thiết kế ăng-ten RF: Hướng dẫn thực hành dành cho kỹ sư trung cấp".

Phối hợp trở kháng và đo lường

Thông số 50 Ω mô tả giao diện RF danh nghĩa; nó không đảm bảo sự phù hợp trở kháng đầu vào 50 Ω sau khi lắp đặt. Ăng-ten, mạch in (PCB), mạch phối hợp trở kháng và các vật liệu xung quanh phải được coi là một hệ thống RF thống nhất.

Máy phân tích mạng vector (VNA) có thể được sử dụng để đo độ phù hợp trở kháng đầu vào trên dải tần yêu cầu. S11 và VSWR giúp xác định sự dịch chuyển cộng hưởng và các vấn đề về phù hợp trở kháng. Để biết thêm chi tiết, hãy xem Làm thế nào để đạt được độ phù hợp trở kháng 50 Ohm trong thiết kế anten PCB?

Tuy nhiên, kết quả S11 tốt không đảm bảo hiệu suất bức xạ cao hoặc phạm vi liên lạc như mong đợi. Tổn thất dẫn điện, tổn thất điện môi, vỏ thiết bị, hướng đặt anten và môi trường thu đều ảnh hưởng đến hiệu suất thực tế. Đó là lý do tại sao các phép đo điện cần được theo sau bởi việc kiểm chứng trên thiết bị hoàn chỉnh.

4. Đánh giá các ứng viên anten 868 MHz cho các yêu cầu tích hợp khác nhau

Sau khi xác định dải tần hoạt động, lựa chọn cấu trúc anten phù hợp và xem xét các ràng buộc thiết kế RF, bước tiếp theo là đánh giá các sản phẩm cụ thể. Việc so sánh sản phẩm nên xem xét kiểu lắp đặt, giao diện, thông số kỹ thuật đã công bố và yêu cầu tích hợp thay vì chỉ dựa vào một thông số duy nhất.

Kinghelm KH-(868)-J505-JB là sản phẩm nổi bật Kinghelm Sản phẩm được đề cập trong hướng dẫn này. TE Connectivity ANT-868-HETH được đưa vào như một sản phẩm tham khảo bên ngoài cho cấu hình anten khác. Các sản phẩm này sử dụng cấu trúc vật lý và phương pháp lắp đặt khác nhau, vì vậy mục đích của việc so sánh là làm rõ các yêu cầu lựa chọn hơn là xếp hạng hiệu suất của chúng một cách trực tiếp.

Cách đánh giá Kinghelm KH-(868)-J505-JB

Kinghelm KH-(868)-J505-JB Có thể đáng để xem xét khi thiết bị có thể tích hợp ăng-ten cao su ngoài và giao diện SMA của nó. Trước khi lựa chọn, hãy xác nhận rằng đầu nối, cách lắp đặt, khoảng trống có sẵn và dải tần hoạt động dự định phù hợp với yêu cầu của thiết bị.

Các thông số kỹ thuật RF được công bố cung cấp cơ sở ban đầu để sàng lọc, nhưng không nên coi chúng là sự đảm bảo về hiệu suất trong mọi trường hợp lắp đặt. Kết quả cuối cùng phụ thuộc vào cách bố trí đường cấp nguồn, các cấu trúc dẫn điện xung quanh, hướng đặt anten và môi trường triển khai. Hãy kiểm tra tài liệu sản phẩm hiện hành và đánh giá anten trong các điều kiện hoạt động điển hình.

Sử dụng sản phẩm tham chiếu bên ngoài

Module TE Connectivity ANT-868-HETH thể hiện một phương pháp tích hợp khác: một ăng-ten đơn cực xoắn ốc gắn xuyên lỗ/gắn bằng tai. Nó có thể phù hợp khi bố cục mạch in được thiết kế cho kiểu gắn này và cấu hình mặt phẳng nối đất cần thiết có thể được đáp ứng.

Không nên cho rằng kích thước và phương pháp lắp đặt của nó hoàn toàn trùng khớp với... Kinghelm Ăng-ten SMA ngoài. Sản phẩm TE được đưa vào để minh họa sự khác biệt về cấu trúc ăng-ten, chứ không có ý nói rằng hai sản phẩm này là sản phẩm thay thế trực tiếp cho nhau.

Những điều cần kiểm tra trước khi thay thế ăng-ten hiện có

Khi đánh giá một loại ăng-ten thay thế, các kỹ sư và nhóm mua hàng nên xác minh ba lĩnh vực trước khi phê duyệt thay đổi:

• Khả năng tương thích về mặt cơ học: Đầu nối, phương pháp lắp đặt, không gian có sẵn, chiều cao anten và khoảng cách an toàn.
• Khả năng tương thích điện: Dải tần hoạt động, trở kháng danh nghĩa, bố trí nguồn cấp và yêu cầu phối hợp trở kháng.
• Hiệu suất cấp hệ thống: sự phù hợp, hiệu suất bức xạ và hiệu suất truyền thông trong thiết bị cuối cùng.

Cũng cần xác nhận rằng bảng dữ liệu hiện tại, bản vẽ kỹ thuật và thông tin tuân thủ áp dụng tương ứng chính xác với số hiệu linh kiện được báo giá. Không nên coi các ăng-ten có cấu trúc hoặc giao diện khác nhau là sản phẩm thay thế trực tiếp mà không cần xác minh.

Sau khi một ứng viên vượt qua các bước kiểm tra thông số kỹ thuật và khả năng tương thích ban đầu, bước tiếp theo là xác minh hoạt động của nó trong thiết bị hoàn chỉnh thay vì chỉ dựa vào các số liệu đã công bố.

5. Kiểm tra hiệu suất anten trong thiết bị cuối cùng

Các thông số kỹ thuật được công bố rất hữu ích để lựa chọn ăng-ten, nhưng chúng không thể dự đoán đầy đủ hiệu suất sau khi lắp đặt. Vỏ kim loại, pin, màn hình, cáp hoặc giá đỡ có thể làm thay đổi trở kháng và đặc tính bức xạ. Vì lý do này, việc kiểm định ăng-ten nên là một phần của quá trình phát triển sản phẩm chứ không phải là khâu kiểm tra cuối cùng được thực hiện cho đến khi được phê duyệt sản xuất.

1. Kiểm tra điện

Đo dải tần hoạt động, S11 và VSWR với thiết lập RF phù hợp, sau đó so sánh kết quả với thông số kỹ thuật của anten. Nếu tần số cộng hưởng thay đổi hoặc độ phù hợp nằm ngoài phạm vi yêu cầu, hãy xem xét lại bố cục, mạch phối hợp và điều kiện lắp đặt.

2. Kiểm tra tích hợp

Lặp lại phép đo với mạch in (PCB) cuối cùng, mặt phẳng tiếp đất, vỏ hộp, pin, màn hình và các bộ phận dẫn điện chính đã được lắp đặt. Cấu hình đã lắp ráp là tài liệu tham khảo thích hợp vì cấu trúc xung quanh có thể ảnh hưởng đến hoạt động của anten.

3. Kiểm tra bức xạ và liên kết

Đánh giá hiệu suất bức xạ và liên kết truyền thông thực tế trong các hướng đặt và điều kiện triển khai tiêu biểu. Một thiết bị hoạt động tốt ở một hướng đặt hoặc môi trường thử nghiệm nhất định có thể hoạt động khác đi trong điều kiện lắp đặt dự kiến.

4. Sự sẵn sàng sản xuất

Trước khi đưa sản phẩm ra thị trường, cần xác nhận các yêu cầu về môi trường, cơ khí và quy định. Nếu cần thiết, hãy thống nhất các tiêu chí chấp nhận và lưu giữ kết quả thử nghiệm để sử dụng cho các thay đổi thiết kế hoặc tìm nguồn cung ứng trong tương lai.

Các phép kiểm tra này phục vụ các mục đích khác nhau. Phép đo VNA đánh giá sự phù hợp của tín hiệu đầu vào, phép kiểm tra hiệu suất bức xạ đánh giá hành vi bức xạ, và phép kiểm tra liên kết kiểm tra khả năng truyền thông trong điều kiện đại diện. Không phép kiểm tra nào có thể thay thế cho các phép kiểm tra khác.

Sau khi kiểm tra ăng-ten đã chọn so với thiết kế cơ khí và các yêu cầu về tần số vô tuyến, nhiệm vụ còn lại là xác nhận rằng sản phẩm và các phương án cung cấp phù hợp với dự án.

6. Danh sách kiểm tra cuối cùng về việc lựa chọn ăng-ten 868 MHz

Trước khi phê duyệt ăng-ten, hãy xem xét các mục sau đây với nhóm kỹ thuật và nhóm mua sắm. Điều này giúp đảm bảo rằng bộ phận được chọn đáp ứng cả yêu cầu kỹ thuật của thiết bị và nhu cầu mua sắm của dự án.

Thông tin cần chuẩn bị trước khi yêu cầu báo giá hoặc mẫu thử

Việc chuẩn bị các thông tin sau đây có thể giúp việc đánh giá sản phẩm và liên lạc với nhà cung cấp hiệu quả hơn:

• Dải tần số mục tiêu và khu vực sử dụng.
• Không gian dành cho mạch in và vỏ hộp, giới hạn chiều cao anten và kiểu lắp đặt ưa thích.
• Cần có đầu nối hoặc giao diện cấp nguồn, nếu có.
• Mô hình ăng-ten hiện tại và lý do xem xét phương án thay thế, nếu đây là dự án thay thế toàn bộ.
• Ứng dụng dự kiến, môi trường lắp đặt và các tiêu chí kiểm tra tần số vô tuyến hoặc truyền thông đã được xác định.
• Số lượng yêu cầu, thời gian lấy mẫu, lịch trình sản xuất mục tiêu và các yêu cầu về tài liệu.

Những chi tiết này giúp xác định xem ứng viên có phù hợp về mặt kỹ thuật hay không và cần những thông tin hoặc thử nghiệm nào trước khi phê duyệt. Việc lựa chọn cuối cùng vẫn nên dựa trên các tài liệu chính thức hiện hành và sự xác nhận trên thiết bị hoàn chỉnh.

Để biết thêm thông tin về Kinghelm KH-(868)-J505-JB, xem xét trang sản phẩm và tài liệu kỹ thuật có sẵn. Nếu bạn cần thảo luận về yêu cầu ăng-ten 868 MHz, xác nhận chi tiết sản phẩm hoặc đánh giá tính phù hợp cho một ứng dụng cụ thể, hãy truy cập Liên Hệ Với Chúng Tôi trên Kinghelm trang web.