ANTENE PENTRU APLICAȚII CELULARE

4 SEPTEMBRIE 2017

Antena este cea mai frecventă cauză de eșec într-un proiect wireless. Antena necesită multă atenție pentru ca intervalul în care sistemul va funcționa să fie optim. Când este selectată sau proiectată corect, antena contribuie la realizarea unui produs wireless de înaltă performanță. Antena trebuie să corespundă: (1) recomandărilor furnizorului dispozitivului wireless, (2) tehnologiilor specifice (Celulară - GSM/TDMA/CDMA, 4G LTE - GSM/ EDGE, UMTS/HSPA, 802.11 Wi-Fi, 802.15.4 - ZigBee, Thread, WirelessHART, 6LoWPAN, LPWA, Bluetooth și BLE - Bluetooth Low Energy), (3) personalizării prin proiectare pentru un anumit design de produs. Cele mai utilizate tipuri de antene, au diverse forme: Monopol – fir vertical, Dipol – 2 fire orizontale sau verticale, Buclă tridimensională, Micro-traseu realizat pe PCB, Elicoidală – o spirală, Plasture – un plan realizat pe PCB, PIFA – o variantă monopol plasture pe PCB cu un plan paralel la GND, Fantă – o zonă izolatoare ce are în jur un circuit conductiv care constituie antena, Yagi – multiple elemente dipol paralele.

Importanța antenei
Antena este un element conectat în exteriorul sau în interiorul dispozitivelor ce comunică prin unde radio. Rolul antenei pentru un dispozitiv ce comunică prin unde radio se înțelege numai dacă avem clară noțiunea de câmp electromagnetic. Câmpul electromagnetic care se propagă în spațiu se numește undă electromagnetică. Semnalele radio sunt unde electromagnetice prin care se transmit informații la distanță, fără fir, dar antena asigură efectiv legătura. Undele radio ca și lumina colorată diferă la lungimea de undă (λ ) și frecvență (f), fiind legate prin formula: λ=c/f, unde c=300 mii km/s.
Undele electromagnetice au două componente: câmp electric (E) și câmp magnetic (B) în planuri reciproc perpendiculare, inseparabile. Mecanismul de propagare a undelor electromagnetice are la bază fenomenul generării reciproce a câmpului electric și al celui magnetic. În antena RF (Radio Frecvență) se generează un câmp electric de la variațiile de tensiune și câmp magnetic la variațiile de curent și astfel va apărea un câmp electromagnetic care se propagă în spațiu sub formă de unde sinusoidale. În mod similar, atunci când o antenă RF se află într-un câmp electromagnetic, la schimbările de câmp magnetic apar variații de curent, iar la modificările de câmp electric apar variații de tensiune în circuitul antenei.

Model tridimensional de radiație a unei antene dipol λ/2.

Antene clasice
Antena dipol
A fost dezvoltată de H. R. Hertz în jurul anului 1886 și rămâne cea mai simplă și cea mai utilizată antenă. Acesta are două fire de metal de aceeași lungime și simetrice, iar dispozitivul de alimentare este conectat la centrul dipolului, la cele două capete ale firelor adiacente. Modul de lucru fundamental al antenei este când întreaga antenă are o jumătate de lungime din lungimea de undă (λ/2). Câmpul radiat al antenei dipol pe modul său fundamental e omnidirecțional și are o polarizare liniară. În figură se vede că modelul său de radiație este maxim în unghi drept față de dipol și scade la zero pe axa dipolului. Directivitatea maximă este egală cu 2.15 dBi. Se folosesc numeroase variații de antene dipol, montate pe orizontală sau verticală. Dipolul ar trebui să fie foarte subțire.
În practică, dipolii sunt realizați cu material mai gros, ceea ce tinde să mărească lățimea de bandă a acestui tip de antenă, între 10% și 20% (depinde de raza firului). În acest caz, lungimea rezonantă se reduce ușor în funcție de grosimea dipolului, dar va fi adesea aproape de 0,47.
Detalii antene dipol: https://en.wikipedia.org/wiki/Dipole_antenna

Model tridimensional de radiație a unei antene monopol λ/4.

Antena monopol
Prin adăugarea unui plan de masă perpendicular în centrul antenei dipol, lungimea sa poate fi împărțită în două, rezultând antena monopol. Teoretic, acest plan de masă e considerat un plan infinit de conductor electric perfect (PEC). În acest caz, curentul din imaginea reflectată are aceeași direcție și aceeași fază ca și curentul din antena dipol. Astfel, antena monopol cu lungimea de un sfert de lungime de undă (λ/4) și imaginea sa formează împreună un dipol (λ/2), care radiază numai în jumătatea superioară a spațiului. Ca urmare, aceasta prezintă un câștig cu 3 dB mai mare decât antena dipol.
Antena are două tipuri de rezistență asociate. Rezistența la radiații ce convertește energia electrică în radiație. Rezistența ohmică a materialului este o pierdere a antenei ce convertește energia electrică în căldură. Rezistența la radiații ar trebui să fie mult mai mare decât rezistența ohmică, deși ambele sunt importante pentru eficiența antenei. În general, rezistența la radiații la bornele unei antene dipol în spațiu liber (izolată de orice conductiv) este de 73Ω. O antenă monopol va avea jumătate, sau 36.5Ω.

Comunicarea fără fir
Sistemele de comunicare implică 4 componente de bază:
• Un element de transmisie
• Un dispozitiv receptor
• Mediul prin care se produce comunicarea
• Antene sau alte elemente de focalizare
Emițătorul în comunicațiile fără fir are rolul să alimenteze o antenă cu un semnal pentru transmisie. Un transmițător radio codifică date în unde RF cu o anumită putere a semnalului (puterea de ieșire) pentru a proiecta semnalul către un receptor.
Receptorul recepționează și decodifică datele care vin prin antena de recepție. Receptorul îndeplinește sarcina de a accepta și decoda semnalele RF primite în timp și a le respinge pe cele nedorite.
Antenele sunt dispozitive care concentrează ener­gia într-o anumită direcție. Antenele pot furniza diferite modele de radiații în funcție de design și aplicație. Cât de mult se concentrează energia într-o anumită direcție este denumit câștig de antenă.
Spațiul dintre emițător și receptor este mediul sistemului. Realizarea liniei de vizibilitate RF (Line of Sight – LOS) între antenele de emisie și recepție este esențială pentru realizarea unei game largi de comunicații fără fir. Există două tipuri de LOS care descriu în general un mediu:

Obstacole în calea radio = non-LOS (non-Line of Sight)

• Visual LOS este capacitatea de a vedea de la un loc la altul. Este nevoie doar de o cale liniară, dreaptă, fără obstacole între două puncte.
• RF LOS necesită nu numai vizual LOS, ci și o traiectorie în formă de elipsoid, ca o minge de rugby, numită zonă Fresnel, fără obstacole, astfel încât undele radio să se poată propaga optim dintr-un punct în altul. Zona Fresnel poate fi considerată ca un tunel care oferă o cale pentru semnalele RF, între două locuri.

Dificultăți în comunicarea fără fir
Deși distanța de comunicare specificată pentru unele module wireless (ex. Digi XBee) este de până la 40 km (25 mile), această valoare poate fi afectată de factori care pot scădea calitatea semnalului:
• Unele materiale pot reflecta undele de frecvență radio, provocând interferențe cu alte unde și pierderea puterii semnalului. În special, materialele  metalice sau conductoare sunt reflectoare mari, deși aproape orice suprafață poate reflecta undele și interfera cu alte unde de frecvență radio.
• Undele radio pot fi absorbite de obiecte în calea lor, cauzând pierderi de putere și limitând distanța de transmisie.
• Antenele pot fi ajustate pentru a mări distanța pe care datele se pot deplasa într-un sistem de comunicații fără fir și sistemul să funcționeze optim. Antenele cu înălțime mare pot obține o gamă mai mare de funcționare optimă chiar dacă au câștig scăzut, deși acestea acoperă o zonă mai mică.

Regula principală
Pentru a atinge cea mai mare distanță, regiunea în formă de elipsoid în care se deplasează undele radio (zona Fresnel) trebuie să nu aibă obstrucții.
Clădirile, copacii sau orice alte obstacole din cale vor reduce domeniul de comunicare.
Dacă antenele sunt montate chiar deasupra solului, peste jumătate din zona Fresnel ajunge să fie obstrucționată de curbura pământului, ceea ce duce la o reducere semnificativă a distanței. Pentru a evita această problemă, montați antenele destul de departe de sol, astfel încât pământul să nu interfereze cu diametrul central al zonei Fresnel.
Datorită naturii complexe a undelor radio, obstrucțiile din prima zonă Fresnel pot cauza slăbire semnificativă, chiar dacă obstacolele nu blochează traseul liniei de vizare a semnalului. Este important să efectuați un calcul al mărimii zonei Fresnel primare pentru un sistem cu antenă dat, iar instalatorul de antene să decidă dacă un obstacol, va avea un impact semnificativ asupra puterii semnalului. Regulă: zona principală Fresnel trebuie să fie, în mod ideal, peste 80% clară de obstacole, dar să fie de cel puțin 60% clară.

Secțiune prin 5 zone Fresnel Zonele albastre favorizează undele radio.

Structura spațială a zonelor Fresnel
Zonele Fresnel sunt regiuni de formă elipsoidală concentrică alungite în spațiu, centrate în jurul liniei traseului de transmisie directă.
Prima regiune include spațiul elipsoidal prin care trece semnalul direct al liniei de vizibilitate. Dacă o componentă stricată a semnalului transmis ricoșează de un obiect din această regiune și apoi ajunge la antena receptoare, trecerea de fază va fi ceva mai mică decât o undă de un sfert de lungime sau mai mică decât o deplasare de 90°.
Efectul numai pentru schimbarea fazelor va fi minim, iar acest semnal recuperat poate avea un rezultat pozitiv la receptor, deoarece primește un semnal mai puternic decât ar fi fără deviere, semnalul suplimentar fiind probabil în cea mai mare parte în fază.
Totuși, atributele pozitive ale acestei deviații depind, de asemenea, de polarizarea semnalului față de obiect (explicată mai jos).
A doua regiune (n= 2) înconjoară regiunea 1, dar exclude prima regiune. Dacă un obiect reflecto­rizant este localizat în a doua regiune, unda sinusoidală care a revenit de la acest obiect și a fost capturat de către receptor, va fi deplasat mai mult de 90°, dar mai puțin de 270°, din cauza lungimii crescute a căii și va fi potențial primit în afara fazei. În general, acest lucru este nefavorabil. Dar din nou, acest lucru depinde de polarizare.
Regiunea a 3-a (n= 3) înconjoară cea de-a doua regiune, iar undele deviate captate de receptor vor avea același efect ca undele în regiunea 1. Așadar, undele sinusoidale s-ar fi deplasat mai mult de 270°, dar mai puțin de 450° (în mod ideal ar fi o schimbare de 360°) și, prin urmare, vor ajunge la receptor cu aceeași deplasare ca un semnal care ar putea ajunge din regiunea 1. O undă deviată din această regiune are potențialul de a fi deplasată tocmai o lungime de undă, astfel încât să se sincronizeze exact cu o undă de vizibilitate directă atunci când ajunge la antena de recepție.
Regiunea a 4-a (n= 4) înconjoară regiunea a 3-a și este similară regiunii a 2-a. Și așa mai departe.
Dacă sunt neobstrucționate și într-un mediu perfect, undele radio vor călători în linie dreaptă de la emițător la receptor. Dar dacă există suprafețe reflectorizante care interacționează cu o undă transmisă, cum ar fi suprafețe de apă, terenul neted, vârfurile acoperișului, părțile laterale ale clădirilor etc., undele radio deviate de pe aceste suprafețe pot ajunge fie în afara fazei, fie în faza cu semnale care călătoresc direct la receptor. Uneori, aceasta duce la constatarea contra-intuitivă că reducerea înălțimii unei antene crește raportul semnal-zgomot la receptor.
Deși undele radio călătoresc în general pe o linie dreaptă, ceața și chiar umiditatea pot cauza ca unele semnale în anumite frecvențe să se împrăștie sau să se curbeze înainte de a ajunge la receptor. Aceasta înseamnă că obiectele care nu sunt pe linia de vizi­bilitate vor bloca, în continuare, părți ale semnalului. Pentru a maximiza intensitatea semnalului, este necesar să minimalizați efectul pierderii obstrucției prin elimi­narea obstacolelor de pe linia directă de radio­frecvență (RF LOS) și din zona din jurul acesteia în zona principală Fresnel. Cele mai puternice semnale sunt pe linia directă dintre transmițător și receptor și întotdeauna se află în prima zonă Fresnel.

Polarizarea
Antena RF și undele electromagnetice sunt polari­zate. Polarizarea unei unde electromagnetice este dată de poziția planului de oscilație a vectorului intensitate câmp electric (E), în raport cu direcția de propagare. Este important ca antena să aibă polarizarea ca și semnalul recepționat pentru a obține maximul de nivel util. Zona Fresnel poate fi utilizată pentru a determina dacă semnalul declanșat va fi recepționat în fază sau în afara fazei, dar polarizarea transmisă a unui semnal de radiofrecvență (RF) poate influența foarte mult primirea sfârșitului transmisiei. Polarizarea undelor electromagnetice poate fi liniară, circulară sau eliptică.

• Polarizarea liniară – undele se deplasează într-un plan
• Polarizare verticală – undele se deplasează pe un plan vertical
• Polarizarea orizontală – undele se deplasează pe un plan orizontal
• Polarizarea circulară – undele se deplasează într-o spirală tridimensională strânsă pe măsură ce părăsesc antena de transmisie
• RHCP (polarizare circulară pe dreapta) – undele se mișcă în sensul acelor de ceasornic pe măsură ce părăsesc transmițătorul
• LHCP (polarizare circulară stânga) – undele se mișcă în sens invers acelor de ceasornic.

Dacă un semnal este polarizat vertical și este deviat de un obiect orizontal cum ar fi un acoperiș plat și apoi se apropie de o antenă de recepție, iar dacă acoperișul se află în prima zonă a zonei Fresnel, semnalul rezultat va fi inversat în raport cu semnalul origi­nal. Aceasta înseamnă că punctele înalte ale undelor sinusoidale sunt acum puncte slabe și invers. Prin urmare, chiar dacă s-ar aștepta o schimbare minimă a fazei în prima regiune Fresnel, semnalul deviat va ajunge în afara fazei, ceea ce va slăbi semnalul recepționat. De aceea, instalatorul sistemului de antenă trebuie să țină cont de acest lucru și, fie să deplaseze antena de transmisie, antena de recepție, fie ambele, pentru a minimiza sau a elimina semnalul schimbat de fază al interferenței cu acoperișul.

Antena Cip vs. Tijă (Chip vs. Whip)

Problematica antenelor și rezolvări propuse de Digi ( www.digi.com)
1. Va ajuta antena cu câștig ridicat transmisia prin sau peste obstacole în cazul în care calea radio nu este vizibilă (non-LOS)?
În primul rând, trebuie să verificați linia de vizibili­tate RF (LOS).
În al doilea rând, Digi recomandă utilizarea unor antene cu câștiguri medii doar în condiții non-LOS. Antenele cu câștig foarte mare se comportă mai rău în condiții non-LOS, deoarece au o lățime mai îngustă a fasciculului. Efectele de multiple căi ale unui mediu non-LOS determină ca semnalele RF să ajungă la antenă în unghiuri ciudate după reflectarea obiectelor din apropiere. O antenă de câștig mai mic cu o lățime mai mare a fasciculului va fi mai bună la recombinarea semnalelor refăcute.
În general, o îmbunătățire de 6dB în bugetul de legături va dubla intervalul într-un mediu LOS (antenă de câștig 8dBi, comparativ cu o antenă dipol cu câștig 2.1dBi). Pentru a dubla intervalul de distanță în lipsa vederii directe, este nevoie de cel puțin 12dB de sensibilitate suplimentară la recepție sau de putere de transmisie, dar câștigul de antenă suplimentar de 12dB poate să nu dubleze intervalul datorită lățimii înguste care determină antena să ignore semnalele care sosesc din unghiuri din afara lățimii fasciculului.

2. Antenele half-wave (jumătate de undă) care se livrează împreună cu produsele Digi PKG nu sunt rezistente la intemperii și nu ar trebui instalate în aer liber. Digi oferă o antenă mai puțin sensibilă la vreme, deoarece nu are articulația articulată cu cablul expus. Numărul de serie al antenei de 900MHz este A09-HSM-7. O opțiune și mai bună este antena A09-FxNF care are un conector RF de tip N (feminin). Un cablu RF poate fi achiziționat în lungimi de 1”, 4”, 6”, 10” sau 20” pentru a se adapta de la conectorul RPSMA (femural) al modemului radio la conectorul de tip N. Toate antenele dipol de 2.4GHz au o îmbinare articulată, care nu le face rezistente la intemperii. Cu toate acestea, Digi furnizează mai multe antene de tip plasture (Patch) pentru montare în aer liber, cu un șurub U standard.

Antene Tijă (Whip) pe module XBee

3. Antena de ¼ lungime de undă are nevoie de un plan de masă. Toate antenele de 1/4 undă funcționează cel mai bine dacă sunt instalate în centrul unui plan de masă metalic cu o rază de cel puțin 1/4 lungime de undă (diametrul: ~ 6 inci pentru 900Mhz și ~ 3 inci pentru 2.4Ghz); Mai mare este mai bine. Antena poate funcționa în continuare pe un plan de masă mai mic, dar eficiența va fi redusă. Rețineți că antena de 1/4 undă disponibilă pe modu­lele RF nu este perfect eficientă, deoarece utilizează planul de masă al plăcii de circuit imprimat (PCB) care se extinde numai într-o singură direcție. Cu toate acestea, orice testare ar trebui să indice faptul că funcționează destul de bine în multe aplicații. Antena trebuie să fie perpendiculară pe planul solului (îndreptată direct în sus). Îndoirea antenei va atenua semnalul și ar putea reduce domeniul radio cu mai mult de jumătate.

4. Antenele Yagi și Patch cu câștiguri mai mari sunt considerate antene direcționale. Cu cât este mai mare câștigul, cu atât este mai mare unghiul pe care îl pot sesiza. Căutați în partea finală a manua­lelor pentru a vedea câștigurile de antenă și ce pierderi sunt permise.

5. Unitățile dBi și dBd sunt utilizate pentru a măsura puterea de focalizare (câștig) a antenei. Digi specifică toate antenele numai în dBi aceasta fiind o măsură care compară câștigul unei antene în raport cu un radiator izotrop (o antenă teoretică care dispersează energia de intrare uniform pe suprafața unei sfere imaginare). Unitatea dBd compară câștigul unei antene cu câștigul unei antene dipol de referință (definit ca un câștig de 2.15 dBi). Pentru a converti dBi în dBd:
• Câștig (gain) în dBd = câștig în dBi – 2.15 dB
• Câștig (gain) în dBi = câștig în dBd + 2.15 dB

Modul Arduino comunică wireless folosind modul XBee.

De asemenea, rețineți că antenele cu câștig mai mare concentrează energia pe o zonă mai mică. Digi recomandă evitarea antenei cu un câștig mare în majoritatea aplicațiilor, deoarece acestea sunt mai dificil de utilizat. Câștiguri recomandate ale antenei:
• Omnidirecțional: 3 dBi până la 6 dBi
• Direcțional: 8 dBi până la 11 dBi

Modul Raspberry Pi comunică wireless folosind modul XBee.

Antenele cu câștiguri mari au o utilizare limitată în extinderea gamei într-un mediu non-LOS, în care obstacolele contribuie cu mai multe pierderi la sistem decât antenele sunt capabile să depășească. De asemenea, obstrucțiile determină ca semnalele să sară și să ajungă la antenă din diferite unghiuri, astfel încât este de dorit să aibă o antenă cu o lățime largă a fasciculului și un câștig mai mic.

6. Sensibilitate mai mare = gamă mai largă de distanță. Intervalul spațial este o cerință importantă pentru majoritatea aplicațiilor RF. Gama largă obți­nută prin sensibilitatea mai mare a receptorului oferă un beneficiu pentru client. Digi realizează o gamă largă de tehnici de modulare și demodulare proprietare, împreună cu una dintre cele mai bune speci­ficații de receptivitate ale receptorului de pe piață.

7. XBee / XBee-PRO S1 802.15.4 – Opțiuni pentru antenă
Intervalele specificate sunt tipice pentru antenele integrate tip tijă (whip) (1.5 dBi) și dipol (2.1 dBi). Antena pe circuit imprimat (PCB) oferă avantaje ale formei; dar, oferă o gamă mai scurtă de distanță decât opțiunile antenă whip și dipol, la transmisia în aer liber. Informații: Notificarea aplicației Antena XBee și XBee-PRO OEM RF.

Nota 1. –––––––––––––––––––––––––––

Zona Fresnel: D este distanța dintre emițător și receptor; r este raza primei zone Fresnel (n=1) la punctul P, aflat la distanțele d1 de emițător și d2 de receptor.

Zona Fresnel, numită după fizicianul Augustin-Jean Fresnel, este una dintre o serie de regiuni elipsoidale concentrate de spațiu între și în jurul unei antene de transmisie și a unei antene de recepție. Conceptul ajută a înțelege și a calcula puterea undelor radio care se propagă între un transmițător și un receptor. Zona Fresnel este configurația spațială a câmpului electromagnetic și este funcție de frecvență. Contractarea zonei Fresnel introduce atenuare și distorsionarea semnalului radio.

Calculul zonei Fresnel în metri

Fn = raza în zona n Fresnel Zone (m)
d1, d2 = distanțe până la P de la emițător și receptor (m)
λ = lungimea de undă a semnalului (m)
λ = c/f, c = 3×108ms-1, f = frecvența semnalului (Hz)

La mijloc, d1 = d2, iar d1 + d2 = D (m). Pentru frecvența în GHz și distanța în Km se obține formula:

pentru n = 1 prima zonă Fresnel, D= 1Km și f= 5.5GHz (5GHz 802.11n Channel 100):
Se obține r = 3.69 m, iar la 60% claritate se pune D= 0.6 Km și rezultă r =2.85m.

Detalii: https://4gon.co.uk/solutions/technical_fresnel_zones.php

 

Se pot comanda pentru aplicațiile specifice antene custom design la Digi International: www.digi.com/pdf/wds-antenna-design-ant108.pdf

 

Constantin Savu
Director General
Ecas Electro

ECAS Electro | www.ecas.ro

ECAS Electro ( www.ecas.ro) este distribuitor autorizat al Digi International Inc. ( www.digi.com)

Detalii tehnice și comerciale: birou.vanzari@ecas.ro

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile necesare sunt marcate *