Robuste Multiband-Antennen können Herausforderung bei der Anbindung mobile Anwendungen lösen

Neben Smartphones und IoT-Geräten sind Transportanwendungen wie Züge, Lkw und Bestandverfolgung ein weiterer wichtiger Treiber für die Funkkonnektivität mobiler Anwendungen. Sie sind mit einer einzigartigen Kombination von wesentlichen Anforderungen an die Systemantenne verbunden, wie z. B. bezüglich Vibrationen, Stößen, extremen Temperaturen, Regen, Luftfeuchtigkeit und der Notwendigkeit, über große Bandbreiten und sogar mehrere Bänder mit gleichbleibender Performance zu arbeiten.

Obwohl es möglich wäre, eine geeignete Antenne zu entwickeln und zu bauen, ist es bei fast allen anspruchsvollen Anwendungen jedoch am sinnvollsten, eine gut konzipierte, gut konstruierte und vollständig charakterisierte handelsübliche Einheit zu verwenden. Dadurch werden Kosten und Entwicklungszeit reduziert und gleichzeitig das Vertrauen in das endgültige Design erhöht.

In diesem Artikel werden die Probleme untersucht, die mit der Entwicklung von Antennen für das Transportwesen verbunden sind. Anschließend werden zwei Multiband-Antennen von TE Connectivity vorgestellt, die für die Befestigung auf einer Oberfläche, einschließlich der eines einfachen „Kastens“ und möglicherweise an einer exponierten Stelle auf einem fahrenden Fahrzeug, konzipiert sind.

Anwendungen treiben die Implementierung voran

Die Antenne ist der entscheidende Wandler zwischen einem elektronischen Schaltkreis und elektromagnetischen (EM) Feldern im freien Raum und daher oft das am meisten beanspruchte Element des Designs. Dennoch muss sie trotz rauer Umgebungsbedingungen die gewünschte elektrische und HF-Performance liefern und einen Formfaktor aufweisen, der mit der gesamten Systemkonstruktion kompatibel ist.

Bei Güterverkehrssystemen und insbesondere bei Hochgeschwindigkeitszügen für den Personenverkehr muss sie außerdem leicht in ein aerodynamisches Gehäuse integriert werden können, das sowohl einen minimalen Windwiderstand aufweist als auch vor rauen Umgebungsbedingungen schützt (Abbildung 1). Ähnliche Einschränkungen gelten für die Bestandsverfolgung, bei der die Antenne für den Empfang von Signalen des globalen Navigationssatellitensystems (GNSS) ebenfalls exposiert angebracht werden muss.

Abbildung 1: Die Vernetzung mobiler Anwendungen mit verschiedenen Standards und Frequenzbändern ist heute eine Selbstverständlichkeit bei mobilen Hochgeschwindigkeitsanlagen wie Zügen, die aufgrund des Windwiderstands und der anspruchsvollen Umgebung eine Herausforderung darstellen. (Bildquelle: TE Connectivity)

Die optimale Antenne bietet eine sorgfältig ausgewählte Kombination anwendungsspezifischer Merkmale, darunter das gewünschten Abstrahlmuster, die richtige Impedanzabstimmung, ein niedriges Stehwellenverhältnis, mechanische Integrität, die Eignung des Gehäuses und der einfache elektrische Anschluss. In vielen Fällen besteht auch die Notwendigkeit, den Signalweg zu verbessern und das Signal-Rausch-Verhältnis des Frontends durch den Einsatz einer aktiven Antenne mit integriertem rauscharmen Verstärker zu maximieren.

Wie bei allen Komponenten gibt es einige übergeordnete Parameter, die zur Charakterisierung fast aller Antennendesigns und -installationen genutzt werden, sowie andere, die in einer bestimmten Situation mehr oder weniger kritisch sein können. Bei Antennen sind die Abstrahlmuster und die Performance über das angegebene Band von entscheidender Bedeutung.

Inplementierung von Antennenprinzipien

Die Ausrichtung von Antennen, die in Transport- und Bestandsverfolgungsanwendungen zum Einsatz kommen, ist eine Herausforderung, da sie zufällig ist und sich ändert. Daher ist es wichtig, dass sie für eine nach oben oder zur Seite gerichtete Anordnung ein gleichmäßiges, ungerichtetes Muster über das gesamte angegebene Band besitzt.

Die M2M-MiMo-LTE-Doppel-Antenne 1-2309605-1 von TE Connectivity beispielsweise ist sowohl für die Bänder 698 bis 960 Megahertz (MHz) als auch 1710 bis 3800 MHz ausgelegt und zielt auf 2G-, 3G-, 4G-, Mobilfunk-, GSM- und LTE-Anwendungen ab (Abbildung 2). Eine einzelne Antenne kann für diese Liste von Standards effektiv sein, da sie in Bezug auf das spezifische Signalformat, das sie überträgt, oder den Standard, den sie unterstützt, agnostisch ist; ihr Design wird hauptsächlich durch Frequenz, Bandbreite und Leistung definiert.

Abbildung 2: Das 1-2309605-1 von TE Connectivity ist ein einzelnes Modul mit zwei unabhängigen Antennen, eine für den Betrieb bei 698 bis 960 MHz und die andere für den Betrieb bei 1710 bis 3800 MHz. (Bildquelle: TE Connectivity)

Hinweis: Eine „Doppel“-Antenne ist nicht dasselbe wie eine „Dualband“-Antenne. Eine Doppel-Antenne, wie die 1-2309605-1, enthält zwei unabhängige Antennen in einem Gehäuse, wobei jede ihre eigene Zuleitung besitzt; eine Dualband-Antenne ist eine einzelne Antenne mit einer Zuleitung, die für zwei (oder mehr) Bänder ausgelegt ist.

Bei genauerer Betrachtung der Antenne 1-2309605-1 für das untere Frequenzband bietet diese eine Abstrahlmuster, das sowohl für die nach oben als auch die zur Seite gerichtete Anordnung über die gesamte Bandbreite gleichmäßig ist, vom unteren Ende bei etwa 700 MHz bis hin zu den oberen Frequenzen bei etwa 900 MHz (Abbildung 3).

Abbildung 3: Die Verstärkungsdiagramme der 1-2309605-1 bei Ausrichtung zur Seite (links) und nach oben (rechts) für 700, 800 und 900 MHz (obere Reihe, mittlere Reihe bzw. untere Reihe) zeigen ein ziemlich gleichmäßiges Abstrahlmuster. (Quelle des Bildausgangsmaterials: TE Connectivity)

Bei 700 MHz (dem unteren Ende des Frequenzbandes) beträgt die Verstärkung in Dezibel relativ zu einer isotropen Antenne (dBi) – ein Standardmaß für die Richtwirkung einer Antenne – nur 1,5 dBi, was einem ziemlich gleichmäßigen Abstrahlmuster entspricht. Diese Einheitlichkeit und Gleichmäßigkeit trägt zu einer konstanten Performance bei, unabhängig von der Ausrichtung der Antenne. Außerdem ist das Abstrahlmuster für die Hochfrequenzseite bei 900 MHz mit einer Verstärkung von nur 4,5 dBi ebenfalls recht gleichmäßig.

Ein weiterer wichtiger Antennenparameter ist das Stehwellenverhältnis, das formal definiert ist als das Verhältnis von maximaler und minimaler Spannung oder das Verhältnis von übertragenen und reflektierten Stehwellen über eine verlustfreie Übertragungsleitung. In einem idealen Szenario lautete das Stehwellenverhältnis 1:1. Da dies oft schwierig zu erreichen ist, ist in der Regel in der Praxis ein Stehwellenverhältnis im niedrigen einstelligen Bereich akzeptabel.

Bei der M2M-MiMo-LTE-Doppelantenne 1-2309605-1, die eine Sendeleistung von bis zu 20 Watt bewältigen kann, liegt das maximale Stehwellenverhältnis bei der Messung mit einem 3 Meter (m) langen RG174-Kabel an einem Ende bei 3:1 und in den meisten Betriebsbändern bei 1,5:1 (Abbildung 4). Im Allgemeinen ist dies für viele der angestrebten Anwendungen ausreichend niedrig.

Abbildung 4: Das Stehwellenverhältnis (vertikale Achse) für die M2M-MiMo-LTE-Doppel-Antenne 1-2309605-1 zeigt mit 3 m langem RG174-Kabel einen niedrigen Wert über den gesamten aktiven Frequenzbereich (x-Achse). (Bildquelle: TE Connectivity)

In Abbildung 4 steht Grün für das Niederfrequenz-Element 1, Rot für das Hochfrequenz-Element 2 und Schwarz für die Elemente 1 und 2 im freien Raum, während Blau für die Elemente 1 und 2 auf einer 400 × 400 Millimeter (mm) großen Erdungsebene steht.

Zusammenfassung mehrerer Antennen

Es ist möglich, zwei oder mehr getrennte Antennen zusammenzufassen, um mehrere Bänder abzudecken. Das führt jedoch zu mehreren potenziellen Problemen. Zunächst einmal ist da das offensichtliche Problem des Platzbedarfs und des Montagezubehörs, das auf einer Konsole oder einer anderen Oberfläche benötigt wird, sowie die damit verbundenen Installationskosten. Zweitens gibt es Bedenken hinsichtlich der EM-Wechselwirkung zwischen den Antennen, die sich auf ihre Muster und Performance auswirkt; das schränkt die Anordnung der Antennen zueinander ein. Diese Wechselwirkung wird als Isolierung der Antenne gemessen und gibt an, inwieweit eine Antenne die Strahlung einer anderen Antenne aufnimmt.

Die Lösung für dieses Dilemma ist die Verwendung einer einzigen Antenneneinheit, die mehrere Antennen in einem einzigen Gehäuse vereint. Dadurch wird mechanisch die Gesamtgröße reduziert, die Installation und das Verlegen der Antennenkabel vereinfacht und das äußere Erscheinungsbild optimiert.

Elektrisch heißt das, dass die Isolierung zwischen den Antennen im Voraus gemessen und spezifiziert werden kann, so dass unerwartete oder unvorhergesehene Wechselwirkungen auf ein Minimum reduziert werden. Bei der M2M-MiMo-LTE-Doppel-Antenne 1-2309605-1 beträgt die Isolierung mindestens 15 dB, wobei sie in Richtung der Mitten beider Bänder, die die Einheit abdeckt, zunimmt (Abbildung 5).

Abbildung 5: Die Isolierung (y-Achse, dB) zwischen den beiden Antennen innerhalb des M2M-MiMo-LTE-Doppelantennenmoduls 2309605-1 beträgt 15 dB oder mehr, gemessen als Funktion der Frequenz (x-Achse, MHz). (Bildquelle: TE Connectivity)

Eine aktive Empfangsantennenfunktion

Zusätzlich zu den beiden Bändern, die die Doppel-Antenne 1-2309605-1 abdeckt, müssen bei vielen Anwendungen wie der Bestandsverfolgung auch Signale von den GNSS-Systemen GPS (USA), Galileo (Europa) und Beidou (China) für Positions- oder Zeitinformationen empfangen werden. Um diese Aufgabe zu vereinfachen und die Notwendigkeit einer weiteren diskreten externen Antenne zu vermeiden, bietet TE die 1-2309646-1 an. Diese ergänzt die beiden Antennen des Zweiantennenmoduls um eine dritte, reine Empfangsantenne für GNSS-Signale zwischen 1562 - 1612 MHz.

Die Notwendigkeit, GNSS-Signale zu empfangen, stellt jedoch eine weitere Herausforderung für den Entwickler dar, die auf die Grundlagen der Sende- und Empfangsfunktionen zurückgeht. Beim Sendebetrieb befinden sich die Antenne und ihre Zuleitung in einer deterministischen Situation. Sie nehmen das bekannte, kontrollierte, wohldefinierte Signal des Leistungsverstärkers des Senders auf und strahlen es ab. Internes Rauschen in diesem Signal, In-Band-Interferenzen oder bandexterne Signale zwischen Leistungsverstärker und Antenne sind kaum zu befürchten.

Aufgrund des Reziprozitätsprinzips, das für alle Antennen gilt, kann dieselbe physikalische Antenne, die zum Senden verwendet wird, auch für den Empfang genutzt werden. Die Betriebsbedingungen für den Empfang sind jedoch ganz anders als für das Senden. Da die Antenne versucht, ein Signal mit Unbekannten in Anwesenheit von bandinternen und sogar bandexternen Störungen und Rauschen zu erfassen, ist das gewünschte Empfangssignal nicht deterministisch, da es viele zufällige Merkmale aufweist.

Außerdem ist die Stärke des empfangenen Signals gering (in der Größenordnung von Mikrovolt bis zu einigen Millivolt) und der Rauschabstand ist ebenfalls niedrig. Bei GNSS-Signalen liegt die Leistung des empfangenen Signals typischerweise zwischen -127 und -25 dB relativ zu einem Milliwatt (dBm), während der Rauschabstand in der Regel zwischen 10 und 20 dB beträgt. Dieses empfindliche Signal wird aufgrund von Verlusten im Kabel zwischen Antenne und Empfänger-Frontend gedämpft und sein Rauschabstand wird durch unvermeidliches thermisches und anderes Rauschen im Übertragungskabel verschlechtert.

Aus diesen Gründen verfügt der 1-2309646-1 über einen rauscharmen Verstärker als weiteres Merkmal für seine dritte, nur für den Empfang bestimmte GNSS-Antenne. Der rauscharme Verstärker sorgt für eine Verstärkung der GNSS-Signale um 42 dB, wodurch die Stärke des empfangenen Signals deutlich erhöht wird. Um den Einsatz des rauscharmen Verstärkers zu vereinfachen, erhält er seine Versorgung (3 bis 5 Volt DC, bei nicht mehr als 20 Milliampere (mA)) über das Koaxialkabel des verstärkten HF-Signals unter Verwendung einer bewährten Überlagerungstechnik.

Die DC-Leistung wird über das Kabel zwischen der Empfangseinheit und dem Empfangsumsetzer übertragen (Abbildung 6). Die DC-Leistung für den rauscharmen Verstärker (V1) wird durch kleine Reihenkondensatoren (C1 und C2) daran gehindert, die Funk-Haupteinheit (Frontend) zu erreichen. Diese Kondensatoren ermöglichen die Weiterleitung des verstärkten HF-Signals von der Antenne (ANT1) an die Funk-Haupteinheit (OUT). Gleichzeitig wird das verstärkte HF-Signal durch Reiheninduktivitäten (Drosseln) L1 und L2 daran gehindert, zur Spannungsversorgung V1 zurückzukehren. Auf diese Weise können die DC-Leistung für den rauscharmen Verstärker und die verstärkte HF-Leistung vom Verstärker zur Funk-Haupteinheit das gleiche Koaxial-Verbindungskabel nutzen.

Abbildung 6: Die DC-Leistung für den rauscharmen Verstärker kann mit Hilfe einer geschickten Anordnung von Induktivitäten und Kondensatoren, die die DC-Leistung und das HF-Signal an jedem Ende trennen und isolieren, im Kabel für den Ausgang der Antenne/Verstärker aufgelagert werden. (Bildquelle: Elektronik Stack Exchange)

Herstellung der physischen Anbindung

Jede Antenne oder Baugruppe von Antennenelementen muss auf zuverlässige, praktische und elektrisch und mechanisch sichere Weise mit dem Funk-Frontend, das sie bedient, verbunden und von diesem getrennt werden können. Darüber hinaus muss die komplette Antennenbaugruppe vor Umwelteinflüssen geschützt und einfach zu befestigen sein, mit minimalen Auswirkungen auf die Montagefläche.

Um diese Ziele zu erreichen, ist jedes Band des Zweibandmoduls 1-2309605-1 und des Dreibandmoduls 1-2309646-1 mit einem 3 Meter langen Koaxialkabel RG-174 ausgestattet, das mit einem Standard-SMA-Stecker konfektioniert ist (Abbildung 7). Daher ist das Anschließen oder Trennen einer oder mehreren Antennen einfach und kann sowohl im Werk bei der Montage des Systems als auch im Außendienst als Erweiterung durchgeführt werden.

Abbildung 7: Jede Antenne in 1-2309605-1 und 1-2309646-1 verfügt über ein eigenes RG-174-Koaxialkabel mit SMA-Anschlussstecker, um die Installation, den Anschluss, den Test und die Demontage bei Bedarf zu vereinfachen. (Bildquelle: TE Connectivity)

Darüber hinaus wird die Befestigung des Multi-Antennenmoduls an der Systemoberfläche durch die Verwendung einer integrierten 18-mm-Montagestange und eines Acrylklebstoffpads an der Unterkante des Antennengehäuses erleichtert. Die Antenne lässt sich schnell befestigen und es gibt keine freiliegenden Teile, die rosten, sich lockern oder mit falschem Drehmoment angezogen werden können.

Das Gehäuse dieser Antennen ist für mobile Hochgeschwindigkeitsanwendungen optimiert. Die stromlinienförmige Einheit ist nur 45 mm breit und 150 mm lang mit abgerundeten Kanten (ähnlich der „Haifischflosse“ auf dem Dach von Kraftfahrzeugen), um den Luftwiderstandsbeiwert und den Windwiderstand zu minimieren. Darüber hinaus sorgt das UV-stabilisierte Material des Gehäuses dafür, dass die Sonneneinstrahlung das Gehäuse im Laufe der Zeit nicht schwächt.

Fazit

Die Mehrband-Funkvernetzung mobiler Hochgeschwindigkeitsanwendungen im Transportwesen benötigt eine Baugruppe, die anspruchsvolle elektrische, umweltbezogene und mechanische Anforderungen erfüllt. Die Module mit zwei und drei Antennen von TE Connectivity bieten Antennen für niedrige und hohe Frequenzbänder und optionale GNSS-Band-Antennen sowie einen internen rauscharmen Verstärker für letztere. Diese Einheiten sind mit individuellen Koaxialkabeln und Steckverbindern für jede Antenne sowie einer einfachen Oberflächen- oder Wandmontagemöglichkeit ausgestattet, um die Installation zu erleichtern und die kritische Robustheit gegenüber Umwelteinflüssen zu gewährleisten.

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