Antene

Partea I

Antena este un traductor specializat care convertește curenții electrici variabili în unde radio ca emițător și acționează, invers, ca receptor radio. La transmisie, un dispozitiv electronic furnizează un curent electric variabil cu o frecvență din domeniul radio la bornele antenei, iar antena radiază energia curentului electric sub formă de unde radio. La recepție, antena captează o parte din energia unei unde electromagnetice, pentru a produce o mică tensiune la terminalele sale.

Există două tipuri de bază: antena de recepție, care interceptează energia RF și furnizează curenți variabili către echipamentele electronice și antena de transmisie, care primește curenți variabili de la echipamentele electronice și generează un câmp RF. Aceeași antenă poate avea ambele roluri.

Constructiv, antenele externe sunt vizibile, iar antenele interne sunt incluse în dispozitive electronice, având forme și dimensiuni variate. Fără antene, nu există comunicație radio.

Legea conservării energiei: Energia nu poate fi nici creată, nici distrusă; ea poate fi doar transformată sau transferată dintr-o formă în alta.

Câștigul antenei (antenna gain) este capacitatea antenei de a radia mai mult sau mai puțin în orice direcție în comparație cu o antenă teoretică. Dacă o antenă ar putea fi făcută ca o sferă perfectă, ea ar radia în mod egal în toate direcțiile. O astfel de antenă se numește teoretic antenă izotropă și de fapt nu există. Se exprimă în dBi – ce înseamnă „decibel relativ la izotrop”.

Aceasta înseamnă că, dacă amplificatorul de antenă furnizează 10W de „putere”, într-o secundă, doar acești 10W sunt energia disponibilă la antenă pentru a o radia. Antena nu poate crea energie nouă.

Dacă antena este omnidirecțională, așa cum un bec radiază în jur ca într-o sferă, atunci cei 10W sunt răspândiți pe întreaga sferă. Dar, radiția este o mărime fizică invers proporțională cu pătratul distanței de la sursă.

Numărul de „raze” care ies din antenă (linii roșii) este constant (cei 10W) și, pe măsură ce ne depărtăm, numărul rămâne același, dar intensitatea scade pur și simplu, pentru că suprafața crește. De exemplu, dacă 10W sunt în 1000 de „raze”, atunci acele raze sunt răspândite pe suprafața de radiație. În cazul sferei, împărțiți-o la 1000 și fiecare pătrat mic primește o rază. Dacă antena radiază doar într-un pătrat mic, atunci toate cele 1000 de raze sunt în interiorul acestui pătrat. Deci, o antenă direcțională radiază întreaga energie într-un spațiu mai mic și, ca atare, apare mai puternică pe o direcție.

Modelul de radiație 3D al antenei dipol jumătate de undă.

Un model de radiație este o descriere tridimensională a modului în care o antenă radiază putere în spațiul înconjurător. Acest model este, de obicei, măsurat la o distanță suficientă de antena cunoscută sub numele de câmp îndepărtat. În cuvinte simple este puterea radiată într-o anumită direcție cu referire la o antenă omnidirecțională (o antenă teoretică care radiază în mod egal în toate direcțiile). Mai jos, sunt prezentate modelele de radiație pentru unele tipuri comune de antene.

Modelul de radiație 3D al antenei patch, utilizată în telefoane mobile.

https://www.raymaps.com/index.php/some-common-antenna-radiation-patterns/

Noțiuni elementare

Ce este o antenă de dispozitiv mobil?

Modele 3D de radiații ale antenei de bandă GSM de la un telefon mobil în prezența capului și a mâinii.

Luând exemplu telefonul mobil, antena este un dispozitiv mic în interior, cu rolul de a recepționa și transmite unde electromagnetice. Când folosiți un telefon inteligent pentru a efectua apeluri, trimite mesaje text, a naviga prin GSM, jocuri online etc. modulul de antenă al telefonului este responsabil pentru comunicație.

Puterea semnalului de frecvență radio a emițătorului este transferată către antenă prin intermediul unui cablu RF (RF Coaxial Feeder) și radiată de antenă ca unde electromagnetice. După ce unda electromagnetică ajunge la o locație de recepție, este capturată de o antenă (se primește doar o mică parte din putere) și trimisă la receptorul radio printr-un cablu RF.

Impedanța antenei. Este o impedanță complexă formată din rezistență – determinată de material, iar capacitatea și inductanța antenei sunt hotărâte de dimensiuni și formă fizică. Raportul dintre tensiune și curent este egal cu impedanța antenei și este exprimat în ohmi. Impedanța antenei determină puterea care este absorbită de antenă, atunci când vine în contact cu o undă electromagnetică.

Designul antenei urmărește optimizarea eficienței în capturarea de energie din câmpul electromagnetic prezent în jur.

Eficiența. O parte din putere se pierde datorită componentei rezistive a unei antene, de aceea se aleg materiale bune conductoare electric.

Impedanța de intrare a antenei

Impedanța de intrare a antenei este valoarea impedanței oferită de antenă la interfața dintre transceiver și antenă. Frecvențe diferite ale radiației electromagnetice vor da valori diferite de impedanță, aceleiași antene.

Impedanța antenei este esențială pentru performanța sistemului de comunicații. Pentru a obține un transfer maxim de putere de la antenă la receptor sau de la transmițător la antenă, impedanța antenei trebuie să se potrivească cu impedanța sistemului. În sistemele RF și cu microunde, impedanțele tipice ale sistemului sunt de 50Ω și 75Ω, care sunt, de asemenea, impedanțe caracteristice liniilor de transmisie coaxiale standard. Impedanța antenei este adesea factorul critic care limitează lățimea de bandă a antenei.

Rezonanța antenei

O antenă RF este o formă de circuit având reactanțe, inductivă și capacitivă și, ca urmare, are o frecvență de rezonanță. Aceasta este frecvența la care reactanța capacitivă și inductivă se anulează reciproc. În acest moment antena RF apare pur rezistivă, rezistența fiind o combinație de rezistență de pierderi și rezistență de radiație.

Frecvența de lucru și lățimea de bandă de lucru

Cele mai multe modele de antenă RF sunt operate în jurul frecvenței de rezonanță. Acest lucru înseamnă că există doar o lățime de bandă limitată în care o antenă RF poate funcționa eficient. În afara acestui punct, nivelurile de reactanță ar putea fi prea mari pentru o funcționare satisfăcătoare.

Frecvența de operare se referă la toate frecvențele din lățimea de bandă a antenei. Aceasta înseamnă că eficiența antenei este redusă în afară de o anumită lățime de bandă.

Modelul fasciculului

Modelul fasciculului antenei descrie relația dintre energia radiată de antenă și orice poziție în spațiu. Prin model, putem cunoaște intensitatea relativă sau absolută a undei electromagnetice radiate de antenă în fiecare poziție din spațiu. Modelul orizontal al antenei telefonului mobil ar trebui să fie omnidirecțional. Dar, de fapt, modelul fasciculului antenei telefonului mobil nu este important. Caracteristicile de radiație ale antenei pentru telefonul mobil și caracteristicile de radiație ale unei singure antene nu sunt aceleași. Modelul antenei telefonului mobil necesită doar ca planul orizontal să fie aproximativ omnidirecțional.

Directivitate și câștig de antenă

Directivitatea unei antene este definită ca măsură a radiației puterii concentrate într-o anumită direcție. Poate fi considerată capabilitate unei antene de a direcționa puterea radiată într-o direcție dată. De asemenea, poate fi observat ca raportul dintre intensitatea radiației într-o direcție dată și intensitatea medie a radiației.

Antenă PIFA (Planar Inverted-F antenna) din metal ștanțat, se încorporează în dispozitivul mobil.

Directivitatea unei antene este legată de modelul fasciculului său. Deoarece eficiența de radiație a antenei în sine trebuie luată în considerare, este de obicei folosit factorul numit câștig (Gain) al antenei pentru a înlocui directivitatea.

Puterea radiată rămasă după disiparea unei părți din putere pe partea rezistivă a antenei se consideră câștig (Gain), exprimat în decibeli (dB).

În funcție de design, se poate radia un semnal cu putere maximă pe o direcție cerută. Dacă factorul Gain crește pe o direcție, atunci scade lărgimea de bandă a radiației.

Eficiența radiației antenei este legată de cantitatea de energie pierdută în procesul de comunicație prin unde electromagnetice. Pierderea de energie care poate apărea în timpul procesului de transmitere și recepție a energiei antenei include: reflexia energiei cauzată de nepotrivirea impedanței la intrarea antenei, pierderea de energie cauzată de materialul antenei în sine la frecvențe înalte și consumul de energie medie de propagare.

Dezvoltarea antenelor pentru telefoane mobile

Cea mai veche antenă mare pentru telefonul mobil a fost o antenă externă, care era o antenă de semnal analogic de joasă frecvență. Antenele încorporate au fost utilizate de NOKIA în perioada 2G, care erau ștanțate din foi subțiri de oțel inoxidabil. Ulterior, pentru a reduce costurile, au apărut antenele FPC (Flexible Printed Circuit Board). FPC se caracterizează prin materialul său moale și care poate fi atașat pe suprafețe curbate. Are avantaje față de antenele metalice în ceea ce privește utilizarea spațiului. Până acum, tehnologia principală de fabricație a antenelor este cea a antenelor FPC.

Mitsubishi Engineering-Plastics: XANTAR® LASER DIRECT STRUCTURING (LDS)

Antena încorporată. Odată cu dezvoltarea tehnologiei, a apărut tehnologia antenei LDS (Laser Direct Structuring). Antena se gravează direct cu un laser pe un material plastic special prelucrat. Putem vedea această tehnologie în telefoanele mobile actuale cu performanțe medii până la înalte. Structurarea directă cu laser (LDS) este un proces prin care o antenă poate fi proiectată și produsă pe un suport de plastic tridimensional. Acest suport poate fi o entitate din plastic separată sau o parte integrantă existentă a carcasei produsului clientului.
Detalii despre antene: Antenna Design Note – QUECTEL: https://www.quectel.com/wp-content/uploads/2021/03/Quectel_Antenna_Design_Note_V3.2.pdf

Tehnologia MIMO

Multi-Input Multi-Output (MIMO) este un model matematic abstract care descrie un sistem de comunicații fără fir, cu mai multe antene. Pe baza lui se pot folosi mai multe antene la capătul de transmisie pentru a trimite semnale independent.

„MIMO” se referă în mod specific la o tehnică practică de trimitere și recepție a mai multor semnale de date simultan pe același canal radio prin exploatarea propagării pe mai multe căi. Utilizarea mai multor antene la capătul de recepție și restaurarea informațiilor originale este un concept de multiplexare prin diviziune spațială. Fără creșterea lățimii de bandă sau a consumului total de energie de transmisie, MIMO poate îmbunătăți semnificativ debitul de date și distanța de transmisie. Conceptul principal al MIMO este de a utiliza libertatea spațială oferită de multe antene de transmisie și recepție pentru a crește eficiența spectrului unui sistem de comunicații fără fir, rezultând rate de transmisie mai mari și o calitate mai bună a comunicației. Poate fi folosit și în rețelele WiFi pentru a comunica cu routere wireless. De obicei, expresia A×B MIMO indică numărul de antene. De exemplu, 2×2 MIMO înseamnă 2 canale de transmisie și 2 canale de recepție. Este de așteptat ca terminalele să utilizeze un număr mai mare de tehnologii MIMO în rețeaua 5G.

Designul antenelor pentru 5G face ca efectele biologice prin expunerea la câmpul electromagnetic să fie minime. Utilizarea unui număr mai mare de antene cu intrări multiple și ieșiri multiple (MIMO) pentru 5G va îmbunătăți și sistemul de comunicații radio.

Antene pentru dispozitive mobile în era 5G
Mărimea rămâne aceeași, cantitatea de informații crește.

Antena este o parte importantă a echipamentului de comunicații fără fir. Transmite și primește semnale de unde electromagnetice. Antena este un fir conductiv cu o lungime specificată, care poate fi fabricat pe PCB și FPC.

Antena FPC. Lungimea de undă a semnalului wireless este puternic corelată cu lungimea antenei. În cele mai multe cazuri, trebuie să fie 1/4 sau 1/2 din lungimea de undă. Lungimea de undă electromagnetică a benzii de frecvență de 900 Mhz în era 2G, de exemplu, este de 20-30 cm, în timp ce dimensiunea antenei este de aproximativ 7,5 cm. Banda actuală de comunicație 4G este de 0,8-2,6 GHz, iar banda principală de frecvență de comunicație utilizată de 5G este, de asemenea, sub 6 GHz. Prin urmare, nu vor exista modificări majore în dimensiunea antenelor pentru telefoanele mobile care utilizează banda de frecvență 5G și Sub-6G. Va rămâne la nivelul centimetrului. Cu toate acestea, 5G va folosi antene suplimentare, sau tehnologia MIMO, pentru a răspunde nevoilor de viteză crescută. De exemplu, 4×4 MIMO are 4 antene transmițătoare și 4 antene colectoare. Creșterea numărului de antene va necesita rearanjarea formei mai multor antene, punând noi cerințe pe capacul din spate și cablarea telefonului mobil pentru a obține o eficiență mai bună. Huawei Mate30 Pro 5G are un total de 21 de antene, dintre care 14 sunt antene 5G.

Evaluările SAR standard pot fi utilizate la frecvențe sub 6 GHz, în timp ce pătrunderea slabă a câmpului la frecvențe de unde milimetrice face ca puterea să circule în exterior. Rata de absorbție specifică (SAR – Specific Absorption Rate), este o măsură a cantității de energie de frecvență radio absorbită de organism atunci când utilizați un telefon mobil.

Dificultăți de proiectare a antenei pentru telefonul mobil în era 5G

Există două benzi de frecvență 5G, frecvență joasă și frecvență înaltă. Banda de joasă frecvență este de 3 ~ 5 Ghz. Este similară cu banda actuală 4G, iar antena poate urma designul actual. Cu toate acestea, pentru a îndeplini cerințele privind rata de transmisie 5G, numărul de antene trebuie crescut.

Putem rezolva această problemă utilizând tehnologia MIMO multi-antenă în banda de joasă frecvență. Dar nu funcționează în banda de înaltă frecvență. Cu cât frecvența este mai mare, cu atât lungimea de undă este mai scurtă. În banda de înaltă frecvență 5G, lungimea de undă de comunicație este de numai aproximativ 10 mm (undă milimetrică). Fizica ne spune că, pe cât de scurtă este lungimea de undă, pe atât de mare este atenuarea transmisiei. Personalul de cercetare și dezvoltare spune că degetele și fețele vor avea un „efect de proximitate” în fața antenei cu unde milimetrice 5G. Nu numai că va duce la scăderea semnalului, dar pot chiar ecrana direct semnalul.

Cu toate acestea, provocarea mai mare urmează să vină. Designul popular de astăzi pe ecran complet va deveni cea mai mare provocare pentru proiectarea antenei în era 5G. Cel mai dificil aspect al designului ‘full-screen’ nu este proiectarea display-ului, ci proiectarea antenei. În general, antena telefonului mobil radiază 360° în toate direcțiile. Este necesar să se evite metalul într-un anumit interval în apropierea acesteia. Și un întreg ecran metalic (spatele display-ului) acoperă complet partea din față a telefonului, ceea ce impune cerințe foarte mari asupra designului antenei. Mai exact, deoarece undele milimetrice 5G sunt foarte scurte, interferența metalelor va fi mai serioasă, necesitând un spațiu liber de cel puțin 1,5 mm. Când mâna sau fața blochează telefonul, semnalul telefonului va începe să caute banda de frecvență cu cea mai mică rată de eroare a biților. Prin urmare, atunci când se proiectează un terminal 5G, locația de instalare a antenei trebuie să fie adecvată încă de la început. Pe lângă performanța de recepție, trebuie luate în considerare și problemele legate de acoperirea spațiului și disiparea căldurii.

Soluție: matrice de antene

Designul dificil al antenei nu înseamnă că telefoanele inteligente din era 5G vor deveni cu siguranță urâte. Piața acestora din era 5G poate introduce o nouă rundă de remanieri. De fapt, proiectarea antenei 5G este dificilă. Soluția este un sistem de antene compus din mai multe antene identice dispuse după o anumită regulă, formând rețele de antene pe unde milimetrice.

Există metode specifice de implementare ale matricei de antene, inclusiv AoB (Antenna on Board) – matricea de antene este situată pe placa de bază a sistemului, AiP (Antenna in Package) – pachetul în care se află matricea de antene este pe cipul din interior și AiM (Antenna in Module) – matricea de antene și RFIC formează un modul.

În prezent, metoda AiM este tendința principală. Rețelele de antene cu unde milimetrice ale AiM utilizează, în general, fascicule de radiații complementare (cum ar fi radiația laterală largă și radiația finală) cu mai multe tipuri de antene (cum ar fi antene tip patch) pentru a obține o acoperire spațială mai largă. Se bazează pe proiectarea adecvată a punctului de alimentare al antenei, pentru a obține o acoperire cu polarizare dublă (polarizare verticală și orizontală), îmbunătățind astfel considerabil gama de semnale și acoperire cu unde milimetrice.

Designul matricei de antene în faze, de dimensiuni mici ajută la reducerea nevoii antenei 5G de spațiu intern și zonă de degajare a antenei. Prin urmare, se realizează un design al corpului mai compact și o proporție mai mare a ecranului. Qualcomm a lansat Modulul de antenă cu unde milimetrice QTM052 în octombrie 2020. Este cu 25% mai mic decât generația anterioară, reducând și mai mult spațiul ocupat de antena 5G pe telefonul mobil.

Modelul de radiație al fasciculului „ventilator” și acoperirea fasciculului emisferic: (a) modelul de radiație al fasciculului „ventilator” și (b) acoperirea fasciculului emisferic necesară în terminalele mobile 5G, are maxim de putere în direcția +y și în direcția −y și nulă pe axa x. (HPBW – half-power beamwidth – lățimea fasciculului cu jumătate de putere). Două rețele de antene sunt imprimate pe peretele lateral al șasiului mobil pentru a oferi un unghi de acoperire de 180°.

https://www.mdpi.com/2076-3417/10/21/7686/htm
http://www.emagtech.com/wiki/index.php/EM.Picasso_Tutorial_Lesson_5:_Analyzing_Patch_Antenna_Arrays

Notă: Benzile de frecvență pentru rețelele 5G vin în 2 seturi de microunde în spectrul electromagnetic. Gama de frecvență 1: 450 MHz la 6 GHz. Gama de frecvență 2: 24,25 GHz la 52,6 GHz. (1 GHz= 10⁹ Hz). Ele nu au o frecvență la fel de mare ca lumina vizibilă – și puțini își fac griji cu privire la cancerul cauzat de lumina vizibilă (zona ultravioletă frecvența 7.5 × 10¹⁴ Hz … 3 × 10¹⁶ Hz – ce are energia minimă necesară pentru a provoca ionizări ce pot provoca rupturi în firele de ADN). Nu există nicio dovadă validă științific că radiațiile ne ionizante au vreun efect negativ asupra sănătății. Nu există niciun mecanism radiobiologic care ar putea explica o astfel de asociere.

Antene pentru aplicații IoT

Siretta Ltd. firmă din UK (Marea Britanie) este un producător și dezvoltator de top de produse IoT, software IoT și soluții IoT, pentru aplicații industriale și aplicații B2B.

Siretta: Antenă Patch, Montare internă, UFL, ECHO16/40MM/UFL/S/S/17. Câștig 16dBi. Aplicații: GPS, WiFi.

Siretta: Antenă PCB – ECHO14/200M/UFL/S/S/15. Câștig: 0 dBi. Aplicații: GSM/GPRS.

Siretta oferă cunoștințe și experiență vastă în domeniul IoT, cu accent pe tehnologiile celulare în sprijinul 2G (GPRS), 3G (UMTS), 4G (LTE), NB-IoT și LTE Categoria M. Frecvențele sunt, de obicei, în intervalul 75MHz – 5,8GHz, acoperind frecvențele HF, VHF, ISM, celulare, GNSS.

Portofoliul include: modemuri și terminale celulare, routere, analizoare de rețea celulară, antene RF, inclusiv soluții pentru WLAN, LoRa și Sigfox. Se livrează ansambluri de cabluri RF și accesorii RF.

Siretta: Antenă PCB Multi Band – ECHO2/0.2M/UFL/S/S/1. Câștig: 2dBi. Aplicații: 3G, 4G, GPRS, GSM, WiFi

Siretta: Antenă T-Bar, ALPHA40/2.5M/SMAM/S/S/29. Adhesive. Câștig: 2dBi. Aplicații: 2G, 3G, 4G, Bluetooth, WiFi.

Alegerea antenei se face după 6 criterii:

1. Metoda de montare: Prin orificiu pe carcasă, Adeziv, Conectare directă pe un modul, Încorporată (Embedded) , Magnetic, Pe perete sau stâlp.
2. Tehnologie: 2G/GSM, GPS Position, 3G/UMTS, 4G/LTE, Bluetooth, ZB Zigbee, WLAN 2400, WLAN 5800, 5G/LTE, LoRa Wireless, Sigfox, GNSS Position, MIMO
3. Nivele de protecție: IP65, IP66, IP67.
4. Frecvența/Categoria: ISM 868, ISM 915, ISM 2450, LTE Cat M1, LTE NB1, WiFi 5 802.11ac, WiFi 4 802.11n, WiFi 6 802.11 ax, ISM 433, ISM 151, ISM 173, ISM 458, ISM 450
5. Stil: Bracket mount, Ceramic path, Dielectric, Dipole, Low Profile, Panel, Parabolic, Patch, PCB, PIFA, Puck, Shark Fin, Stubby, T-Bar, Whip, Yagi.
6. Conector: male/female din tipurile BNC, Fakra, FME, GSC, Ipex, MCD, MCX, MMCX, N-Type, SMA, SMB, Solder, Stripped and Tinned, TNC, uFL.

Serviciile de proiectare oferă soluții personalizate pentru clienți, fiind susținute de o echipă de ingineri cu experiență de dezvoltare și aplicații dedicate, precum și de specialiști în software, care oferă soluții complete, cu un accent puternic pe proiectarea de sistem la nivel înalt.

Antennas – Siretta – Enabling Industrial IoT

Constantin Savu
Director General Ecas Electro
Dl. Constantin Savu este inginer electronist cu o experiență de peste 30 ani în domeniul componentelor electronice și al selectării acestora pentru aplicații. Fiind bun cunoscător al componentelor și al tehnologiei de fabricație a modulelor electronice cu aplicații în domeniile industrial și comercial, coordonează direct producția la firma de profil Felix Electronic Services.
ECAS Electro   |   www.ecas.ro
ECAS Electro este distribuitor autorizat pentru produsele Siretta.

Detalii tehnice: Ing. Emil Floroiu (emil@floroiu.ro)
birou.vanzari@ecas.ro