Antenele sunt o componentă esențială a oricărui sistem de date și de internet mobil sau fix care se bazează pe rețea celulară. Antena este prima care primește și ultima care transmite semnalul radio, fiind o interfață indispensabilă la modulul wireless la care e conectată. Unele dispozitive fixe sau mobile celulare au porturi de antenă care permit, pentru a obține un semnal mai bun, selectarea antenelor externe potrivite pentru o aplicație specifică. Rețineți că performanța reală a datelor celulare poate varia foarte mult în funcție de factori diferiți, cum ar fi: • Locația turnului celular în raport cu locația aplicației • Vreme • Câte dispozitive folosesc simultan turnul • Teren local – munți, văi și chiar copaci • Clădiri din apropiere • Structura metalică a locației • Tipuri de antene și modem încorporate în dispozitivul celular folosit • Limitările de timp, volum de date și de cost alocate.
Fundamentele antenei
Antenele sunt esențiale pentru dispozitive celulare, dar sunt foarte variate ca tehnologie, formă, dimensiuni – iar alegerea nu este deloc simplă.
Câteva specificații cheie în care antenele diferă:
- Câștig antenă – La transmisie, câștigul descrie eficiența antenei când transformă puterea de intrare în unde radio emise într-o direcție specificată. La recepție, câștigul descrie eficiența antenei de a transforma în energie electrică undele radio primite.
- Dependența de un plan de masă – Unele antene trebuie montate pe o suprafață metalică (plan de masă) pentru a funcționa bine.
- Număr de antene distincte (MIMO – multiple-input multiple-output) – Unele antene interne sunt alcătuite din mai multe antene care lucrează împreună. MIMO poate furniza mai multe fluxuri de date și poate servi simultan mai mulți utilizatori.
- Caracteristici fizice – Forma, directivitatea și dimensiunea antenei sunt importante în opțiunile de instalare.
Îmbunătățirea recepției semnalului celular în aplicațiile IoT
Proiectarea urmărește performanța ridicată a semnalului radio, se fac teste și se lansează produse echipate cu sisteme wireless 2G / GSM, 3G / UMTS sau 4G / LTE, care maximizează distanța de lucru a soluției celulare adoptate. Pentru a finaliza un produs, se selectează o antenă și un cablu pentru conectarea la soluția electronică modulară verificată și calificată pentru aplicație.
Transmisia și recepția semnalului radio celular în aplicațiile pe teren, se fac după reguli valabile pentru majoritatea sistemelor fără fir actuale. Acestea includ benzi radio ISM cu frecvențe centrale de 433.92 MHz, 866.5 MHz și 2.45 GHz și alte tehnologii definite de standardele WiFi, Sigfox și Zigbee / IEEE802.15.4.
O antenă celulară lucrează cu unde radio pe frecvențele 700, 850, 900, 1800, 1900, 2100, 2300 și 2600 MHz. Se caută poziționarea antenei pentru ca undele radio să se propage direct de la sursă la receptor, pe o linie de vedere directă (LoS – line of sight). Deși semnalele radio pot ocoli sau traversa anumite materiale, utilizarea liniei de vedere ar trebui să fie primul deziderat pentru integritatea semnalului.
LoS este explicată ca o simplă linie vizuală, dar este mai complicat decât atât. LoS wireless este cel mai bine definită de conceptul „Zonă Fresnel”, în care LoS este de fapt o zonă 3D în formă de elipsoid care trebuie să fie cu cel puțin 60% departe de orice obstacol pentru a asigura cea mai bună performanță a conexiunii wireless.
Obstacole
Antenă Yagi – Uda cu model de radiație în câmp îndepărtat. Constă dintr-un port alimentator, un reflector și 4 directori. Toate aceste elemente sunt plasate la o echidistanță de 0,2 λ cu dimensiuni optimizate la frecvența centrală de 2,45 GHz.
Siretta: OSCAR3A/X/FMEM/S/S/19 – antenă Yagi, Quad band (850, 900, 1800, 1900 MHz GSM/GPRS). Are 9 elemente din aluminiu emailat și un câștig de 11dBi. Suport inclus. Conector tată FME.
Obstacolele plasate între stația de bază și antena de recepție vor absorbi, respinge sau devia semnalul în grade diferite. De exemplu, un perete din lemn sau de sticlă între un turn celular de transmisie și o antenă de recepție nu are niciun efect, dar, dacă o antenă ar fi în interiorul unei clădiri cu armătură metalică sau a unei incinte metalice, ar fi un efect de atenuare dramatic. Obstacolele pe teren, cum ar fi un deal sau o clădire înaltă, între un turn celular și o stație de recepție, ar putea bloca complet un semnal radio celular.
O modalitate simplă pentru a depăși obstacolele într-un mediu de comunicații cu linie de vedere este poziționarea la înălțime a antenei. De remarcat că, la o lungime mai mică a cablului, este mai mică și pierderea RF, lucru ce ar trebui luat în considerare la lungimile optime ale cablurilor pentru antene.
Atunci când se alege o antenă, trebuie să se asigure că antena, cablul și conectorul au impedanța de 50 ohmi și lungimea cablului este fără surplus. Dispozitivele audiovizuale folosesc impedanța de 75 ohmi. Cablul coaxial are niveluri diferite de pierdere RF în funcție de tipul de cablu selectat. Instalările variază de la un loc la altul, deci instalatorii vor efectua vizionări ale amplasamentului și vor pregăti cabluri de extensie pentru a permite poziționarea.
Pierderi
Cu cât frecvența de operare este mai mare, cu atât este mai mare pierderea RF pe metru. În Europa, există un număr de benzi disponibile pentru comunicațiile celulare, fiind posibilă îmbunătățirea performanței întregului sistem prin simpla trecere la o frecvență mai mică. Pe rețeaua 2G/GSM, care operează pe banda de 900MHz, se pot transmite 2 W putere, dar pe frecvența de 1800MHz este posibil doar 1 W. Cu un sistem de 2 W și 900 MHz, distanța de lucru va crește semnificativ față de un sistem de 1800 MHz la 1 W.
Operatorul de rețea
Siretta: ECHO 27 GPS – Antenă cu o zonă ceramică și o amprentă de 15 × 15 mm. Frecvență centrală: 1575,42 MHz, LNA încorporat cu câștig de 22 dB, cablu coaxial standard de 100 mm, 1,13 mm și conector IPEX.
La proiectarea și instalarea de echipamente celulare pe teren, factorul final luat în considerare este costul timpului de comunicație radio și acesta este selectat pe baza unei decizii comerciale influențate de preț. În funcție de aplicația finală, poate fi necesar să se ia în considerare un furnizor alternativ de timp de antenă care operează pe o bandă de frecvență inferioară, dacă este necesară o comunicare fiabilă în zonele rurale îndepărtate.
Selectarea adecvată a antenei în aplicațiile IoT integrate
În proiectare electronică de sisteme integrate cu wireless, antena este adesea ultima parte a considerației de proiectare, dar una dintre cele mai critice, după selectarea modulului radio și a cerințelor de putere.
Există 3 variante de alegere a antenei disponibile în aplicații celulare, fiecare cu propriile avantaje și dezavantaje. Problemele principale sunt: (1) spațiul disponibil pe placa PCB și (2) timpul necesar pentru a aduce un produs pe piață. Mulți producători de antene sunt orientați mai mult pe propria lor specialitate, decât să ofere soluții variate pentru o gamă largă de produse.
Antene ceramice
Multe antene ceramice disponibile sunt adaptate la diferite tehnologii, cum ar fi celular, ISM, LTE și WiFi. Sunt printre cele mai compacte soluții disponibile și necesită un spațiu dedicat pe un PCB, cu o distanță adecvată la un plan de masă (o suprafață conducătoare care servește ca parte a unei antene, pentru a reflecta undele radio la celelalte elemente ale antenei).
Ca ghid, cu cât frecvența este mai mare, cu atât lungimea de undă este mai mică și, prin urmare și planul de masă. Deoarece planul de masă asigură ca antena să funcționeze corect, va trebui să luați în considerare spațiul pe PCB și nu doar dimensiunile antenei de bază.
Siretta: Echo 14 – antenă multifuncțională PCB, ideală pentru aplicații cu bandă largă, inclusiv Quad-band, 3G și 4G. Având 105 × 20 × 1 mm, această antenă este proiectată pentru a fi montată în interiorul unei carcase, fie direct pe PCB.
Antenele ceramice tind să fie soluția cu cel mai mic cost. Dar, ele sunt destinate utilizatorilor de volum mare de produse și, ca atare, sunt necesare kituri de evaluare pentru testare și evaluare, pentru a obține un preț mai mic.
Proiectate special pentru aplicații cu antenă încorporată, performanță ridicată, factor de formă redus. Au recepție sensibilă a semnalului prin satelit și o distanță mare de transmisie. Aplicațiile includ: urmărirea vehiculelor/flotei, urmărirea activelor, aplicații mobile și servicii generale de poziție.
Antene PCB
Antenele PCB oferă soluții conectabile care pot fi integrate cu ușurință în sistem utilizând un conector micro RF. Multe module wireless existente au prevăzut un micro conector pentru o antenă PCB. Antenele PCB încorporabile sunt reglate la diferite frecvențe și pot fi livrate cu lungimi diferite de cabluri și tipuri de conector, pentru compatibilitate cu majoritatea modulelor wireless disponibile.
Altă considerație este dimensiunea totală a carcasei pentru a se asigura că antena se potrivește. Există antene construite la o anumită lungime de undă, uzual 1/4 lungime de undă, reglate pentru a funcționa pe o anumită frecvență sau frecvențe și armonici pentru a acoperi o gamă de frecvențe diferite de rețea.
Unele aplicații au impusă necesitatea de a avea cea mai mică dimensiune posibilă. Deși se optează pentru o antenă de un sfert de undă, există probleme cu dimensiunea antenei. De exemplu, o rețea celulară de 900 MHz poate furniza până la 2 W, iar o antenă 1/4 lungime de undă la 900 MHz este de aproximativ 7 cm. La 1800 MHz, antena 1/4 lungime de undă este de aproximativ 3,5 cm.
Antene externe
Siretta: Delta 14 și Delta 15 – antene omnidirecționale, cu conexiune directă, reglate la frecvențe de 2,4 GHz – WiFi / WLAN / Bluetooth / ZigBee. Oferă o soluție mică și compactă, fără cablu, ideală pentru terminale și modemuri compatibile WiFi.
O carcasă metalică va bloca semnalul RF, dacă antena este în interior, prin efectul de cușcă Faraday în jurul unei antene interne. Pentru a depăși acest lucru, un ansamblu de cablu intern ecranat leagă modulul fără fir de un conector extern de pe carcasa produsului, permițând montarea unei antene externe.
Această opțiune oferă și beneficiul extinderii gamei de antene disponibile pentru a fi utilizate într-o aplicație. Se poate selecta antena ideală pentru echipamente care vor fi instalate în zone cu acoperire slabă de semnal radio sau instalate în locații greu accesibile.
Cum se evită vandalismul la antenele celulare din sistemele IoT
Instalațiile poziționate la distanță, echipate cu module de telemetrie celulară pot fi atacate, în special în zonele nemonitorizate sau slab iluminate, cum ar fi parcările și alte spații publice.
Locațiile cu echipamente de telemetrie includ automate, stații de autobuz dotate cu echipamente RTPI (informații în timp real pentru pasageri), cutii de utilitate și de informare locală, puncte de plată la furnizorii de servicii și stații meteo la distanță pentru transmiterea vremii locale către un punct centralizat. Toate au o cerință critică pentru a se asigura că produsele pot rezista în mediul lor particular, iar conectivitatea wireless printr-o rețea celulară trebuie asigurată fără întreruperi cu site-urile de la distanță.
Antenă cu profil redus
Siretta: TANGO 11A – antene compacte, în formă de disc, cu frecvențe de operare quad band GSM și 3G.
Deși majoritatea antenelor celulare sunt polarizate vertical, o tendință în creștere a antenelor cu profil redus este observată pe piață. Acestea sunt proiectate pentru a fi montate folosind un șurub prin orificiul de pe carcasă. Astfel, antena nu poate fi îndepărtată fără acces la interiorul carcasei și nicio cablare nu este vizibilă. Antenele cu profil redus de bună calitate sunt proiectate cu învelișuri robuste din plastic pentru a oferi o protecție adecvată împotriva atacurilor. Conectivitatea celulară se poate realiza cu mai multe tehnologii, inclusiv ISM, WiFi și GNSS, toate într-o singur înveliș fizic al antenei.
Comunicații mobile (aplicații celulare) cu un câștig de 3 dBi. Diametru 80 mm și înălțime de 23 mm.Montaj intern sau extern, cu filet de 22 mm lungime, grad IP67 și garnitură de etanșare din cauciuc.
Tango 11A sunt potrivite pentru o gamă largă de aplicații, inclusiv: contorizarea parcărilor, contorizarea utilităților, monitorizarea traficului și multe alte aplicații M2M care necesită transfer de date prin lățimi de bandă GSM sau 3G.
Antenă la înălțime
Comunicarea celulară funcționează pe principiul liniei de vedere directă, așa că este avantajos ca antena să fie cât mai sus posibil deasupra nivelului solului. Pe lângă protecție la vandalism, se oferă în același timp comunicații îmbunătățite.
Siretta: SNYPER-LTE+ (UE) este un analizor de semnal de rețea de înaltă performanță, în mai multe limbi, dedicat monitorizării rețelelor europene 4G/LTE, 3G/UMTS și 2G/GSM. SNYPER-LTE+ (UE) funcționează fără SIM pe toate benzile și tehnologiile, pentru a oferi rezultate ale sondajului de rețea.
Cablurile din aceste instalații pot fi vizate cu ușurință. De aceea, este recomandat să direcționați aceste cabluri printr-o conductă de protecție sau într-un stâlp pentru a minimiza vulnerabilitatea și a reduce elementele la vedere. Antenele cu montare pe perete/stâlp pentru exterior, rezistente la apă și vânt, au un suport de montare și fixare pe stâlpi sau pe partea laterală a clădirilor. Trebuie alese cabluri lungi având pierderi reduse pentru a plasa antena într-o poziție ridicată îmbunătățind și performanța.
Pentru zonele cu semnal foarte slab, cum ar fi zonele rurale îndepărtate, cu un singur loc de celulă disponibil, o antenă Yagi poate fi instalată într-un punct înalt și îndreptată în direcția locației celulei pentru a oferi o conexiune bună de semnal la echipamentul de la distanță. Pentru a facilita instalarea antenei, se utilizează un analizor de semnal celular, care poate oferi o ieșire grafică în timp real pentru a ajuta la determinarea poziției optime a antenei.
Familia SNYPER îndeplinește o serie de funcții diferite:
- Amplasarea optimă a antenei
- Cele mai bune performanțe de rețea pentru un site
- Evaluarea performanței instalațiilor existente
- Cea mai bună alegere a operatorului de rețea pentru un site
- Clasați puterea semnalului rețelei în ordine
- Rezultatele sunt raportate în format CSV și HTML grafic
- Defalcare completă a rețelei și rezultate rezumate
În cazul tuturor antenelor montate în exterior, este o idee bună să adăugați un descărcător de fulgere la linia de alimentare pentru a reduce riscul ca fenomene naturale tranzitorii de înaltă tensiune să distrugă echipamentele de comunicații din aval. Un dispozitiv simplu GDT (Gas Discharge Tube) este o „asigurare” cu cost redus.
Antena internă
Dacă echipamentul nu este într-o carcasă metalică, pot fi utilizate antene interne, disponibile cu lungimi diferite de cablu. Dacă antena e plasată în interiorul echipamentului, atunci se poate folosi o antenă mai puțin robustă, nefiind expusă la intemperii, conectată direct la echipamentul de comunicație.
Antene pentru aplicații în IoT
Siretta Ltd, firmă din UK (Marea Britanie), este un producător și dezvoltator de top pentru dispozitive din IoT, software IoT și soluții IoT, pentru aplicații industriale și aplicații B2B.
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.
Constantin Savu
Director General
Ecas Electro
ECAS Electro | www.ecas.ro
ECAS Electro este distribuitor autorizat pentru produsele Siretta (https://www.siretta.com/products/antennas/)
Detalii tehnice:
Ing. Emil Floroiu (emil@floroiu.ro)
birou.vanzari@ecas.ro
Referințe WEB:
Cellular Network Analysers – Siretta – Enabling Industrial IoT
SNYPER Survey Terminology (siretta.com)
Tutorial Model of a Yagi–Uda Antenna for Wi-Fi (comsol.com)
Cellular Antenna Frequencies (comnet.com.au)
What is Fresnel Zone – Wireless Communication. – YouTube
LINE OF SIGHT – THE REAL RANGE OF WIRELESS COMMUNICATIONS – Tekon Electronics
https://www.rvmobileinternet.com/guides/selecting-a-cellular-antenna/
4Gon Solutions
Antennas – Siretta – Enabling Industrial IoT