Устройство может иметь хорошо спроектированный радиомодем, но при этом не пройти сертификацию или плохо работать в полевых условиях из-за антенны. Выбор одного из них заключается не столько в поиске детали с самым высоким коэффициентом усиления на странице каталога, сколько в обеспечении соответствия электрическим, механическим и экологическим ограничениям продукта вокруг него. Прежде чем запрашивать образцы, стоит ответить на приведенные ниже вопросы, примерно в том порядке, в котором они имеют значение.
1. Начните с требований к сети, а не с антенны
Антенна следует радиоплану, а не наоборот. Прежде чем сравнивать детали, запишите, что на самом деле должно делать устройство:
- Какие диапазоны и стандарты должны поддерживаться — например, LTE, NB-IoT, LoRa, Wi-Fi, Bluetooth, GNSS или их комбинация.
- В какие регионы доставляется продукт, поскольку для вариантов региональных диапазонов могут потребоваться разные антенны
- Независимо от того, передает ли устройство непрерывно или короткими пакетами, это влияет на то, насколько важна эффективность.
- Сколько физического пространства реально может отдать макет
Пропускная способность влияет на работу антенны на разных частотах. Узкополосная антенна может быть оптимизирована для определенного диапазона частот, в то время как широкополосная конструкция должна работать в более широком диапазоне, часто с некоторыми компромиссами в эффективности и пиковом усилении. Усиление антенны также зависит от диаграммы направленности: более высокий коэффициент усиления в одном направлении не обязательно означает лучшее покрытие во всех направлениях. Эти факторы стоит учитывать на ранних этапах процесса проектирования, особенно когда антенна должна вписываться в фиксированный корпус или на печатную плату.
2. Заблаговременно определитесь между внутренней и внешней антенной.
Это решение влияет на общий дизайн продукта, поэтому его обычно рассматривают на ранней стадии компоновки, а не после завершения оснастки.
Внутренние антенны, в том числе FPC, трассировка печатной платы, штампованные металлические и керамические конструкции, помогают поддерживать герметичность корпуса и чистый внешний вид продукта. Они широко используются в носимых устройствах, трекерах и компактных датчиках. Однако на их производительность могут влиять близлежащие компоненты, такие как земля, аккумулятор, дисплей и материалы корпуса, которые могут потребовать дополнительной настройки во время разработки.
Внешние антенны, как правило, легче оптимизировать, поскольку они расположены вдали от компонентов, которые могут поглощать или расстраивать радиочастотные сигналы. Всенаправленная антенна, установленная на устройстве или транспортном средстве, обеспечивает покрытие вокруг точки крепления, что делает ее подходящей для таких приложений, как отслеживание и телеметрия, где направление сигнала может меняться. Основными соображениями являются механические требования, включая разъем, прокладку кабеля и монтажную конструкцию, необходимую для рабочей среды.
Во многих беспроводных устройствах используется комбинация внутренних и внешних антенн, при этом каждая антенна выполняет различные функции радиосвязи в соответствии с требованиями конструкции.
3. Оставьте место для антенны и заземляющую пластину.
Большинство компактных антенн не являются независимыми излучающими элементами. Они полагаются на заземляющий слой печатной платы как часть радиочастотной структуры, а это означает, что размер и расположение заземляющего слоя напрямую влияют на характеристики антенны. Конструкция, которая хорошо работает на большой оценочной плате, может по-другому работать на печатной плате меньшего размера, и после подтверждения окончательного размера платы часто требуется повторная настройка.
Два соображения по поводу компоновки особенно важны. Во-первых, зарезервируйте подходящую зону для защиты антенны и избегайте размещения в ней меди, компонентов или металлических деталей. Во-вторых, при окончательной сборке обратите внимание на любые проводящие материалы, расположенные рядом с антенной, например батареи, динамики, металлические кронштейны или этикетки с покрытием. Эти материалы могут смещать резонансную частоту и снижать эффективность.
В компактных конструкциях антенн IoT окружающая конструкция оказывает прямое влияние на радиочастотные характеристики. Если корпус изготовлен из металла, внутренняя антенна может не обеспечить ожидаемых характеристик, поскольку корпус может блокировать или расстраивать сигнал. В таких случаях обычно требуется внешняя антенна или специальное радиочастотное отверстие в корпусе для обеспечения подходящего пути прохождения сигнала.
Для приложений, требующих более широкого покрытия, можно также рассмотреть возможность использования всенаправленной антенны, когда устройству требуется связь в нескольких направлениях, а не фиксированная линия связи «точка-точка».
4. Проверьте механические и экологические требования.
Антенна, которая хорошо себя зарекомендовала в лаборатории, после установки может вести себя по-другому. При выборе правильной конструкции антенны следует учитывать рабочую среду.
- Защита от проникновения – Для наружных и промышленных изделий может потребоваться степень защиты IP67 или выше, что влияет на конструкцию уплотнений и конструкцию антенны.
- Рабочая температура – Материалы и кабельные сборки имеют температурные ограничения, и длительное воздействие может повлиять на производительность и надежность.
- Механические условия – При использовании транспортных средств и промышленных установок следует учитывать вибрацию, изгиб кабеля и нагрузки на разъемы.
- Устойчивость к атмосферным воздействиям – Воздействие ультрафиолетового излучения, влага и солевые брызги могут повлиять на материалы корпуса и выбор разъема для использования вне помещений.
- Требования к монтажу – Винтовые, клейкие, магнитные и сквозные крепления подходят для различных конструкций оборудования и применений.
Определение этих требований перед выбором или выборкой IoT-антенны помогает гарантировать, что антенна соответствует фактической среде установки. Для приложений, требующих покрытия в нескольких направлениях, можно рассмотреть возможность использования всенаправленной антенны в зависимости от системных требований.
5. Держите радиочастотный путь коротким: разъемы и кабель.
Когда антенна установлена вдали от радиомодуля, кабель становится важной частью радиочастотного тракта. Потери в кабеле напрямую влияют на бюджет канала, причем потери увеличиваются с увеличением длины кабеля и рабочей частоты. Кабель, который хорошо работает для низкочастотных приложений, может привести к заметным потерям на более высоких частотах.
При интеграции антенны следует учитывать два фактора. Во-первых, длина кабеля должна быть настолько короткой, насколько это позволяет конструкция изделия. Во-вторых, выбирайте тип кабеля, основываясь на его фактических характеристиках потерь на самой высокой рабочей частоте, а не на общих предположениях.
Выбор разъема также важен. Разъемы SMA, MMCX, U.FL/I-PEX и N-типа различаются по размеру, долговечности, циклам соединения и пригодности для различных сред. Каждый переход разъема добавляет небольшую вносимую потерю и создает еще одну точку, которая может повлиять на надежность.
Для антенной системы Интернета вещей антенну, кабель и разъем следует оценивать как полную сборку. Проверка совместимости разъемов и тестирование окончательной конфигурации помогут избежать проблем с производительностью, которые могут не возникнуть при раздельном тестировании отдельных компонентов. В приложениях, использующих всенаправленную антенну, весь радиотракт не менее важен, поскольку потери в кабеле и разъемах напрямую влияют на качество доступного сигнала.
6. Запланируйте тестирование и сертификацию перед массовым производством.
Характеристики антенны обычно оцениваются посредством как кондуктивных, так и беспроводных измерений. Проведенные тесты, такие как измерение КСВН и измерения импеданса, позволяют проверить, насколько хорошо антенна согласована с радиочастотной системой. В эфирных тестах измеряются реальные характеристики, включая эффективность, усиление и диаграмму направленности антенны, установленной в реальном продукте.
Обычно целевым показателем является КСВ около 2:1 или выше во всем диапазоне рабочих частот, но он указывает только на согласование импедансов. Он не отражает напрямую эффективность излучения, что означает, что антенна может демонстрировать хорошее согласование, но при окончательной установке иметь ограниченные характеристики.
Для подключенных продуктов при проверке антенны также необходимо учитывать нормативные требования и требования оператора связи. В зависимости от рынка и беспроводной технологии это может включать в себя FCC, CE, сертификацию оператора связи или отраслевое тестирование. Для IoT-антенны важно протестировать все устройство с окончательным корпусом, поскольку материалы, близлежащие компоненты и условия установки могут повлиять на радиочастотные характеристики.
Завершение предварительного тестирования на соответствие перед окончательным набором инструментов может помочь раньше выявить проблемы, связанные с антенной, и уменьшить количество изменений на последующих этапах сертификации. Тот же подход применяется к системам, использующим всенаправленную антенну, где окончательное положение установки и окружающая среда могут влиять на измеренные характеристики излучения.
7. Когда стоит задуматься о специальной антенне
Стандартные антенны могут удовлетворить многие общие требования приложений и обычно являются лучшим выбором, когда уже определены требования к размеру, производительности и производству. Индивидуальную конструкцию антенны рассматривают, когда стандартная модель не может соответствовать требованиям проекта, например, когда несколько диапазонов частот необходимо интегрировать в ограниченном пространстве, корпус влияет на радиочастотные характеристики, монтажная конструкция уникальна или для сертификации требуется дополнительная проверка.
Shenzhen Feisheng Electronics — производитель радиочастотных антенн с 13-летним опытом OEM и ODM. Компания управляет производственным комплексом площадью 6000 м² с собственной радиочастотной лабораторией и имеет сертификаты ISO9001, ISO14001 и IATF16949, а также более 50 патентов. В портфель ее продукции входят внутренние антенны FPC и PCB, антенны GNSS и RTK, антенны 5G, антенны для дронов, магнитные антенны, антенны из стекловолокна, внешние антенны и сборки радиочастотных кабелей.
Для проектов нестандартных антенн процесс разработки обычно включает анализ требований, радиочастотное моделирование, тестирование прототипа и проверку производства. Это позволяет оценить антенну с реальным корпусом и конструкцией устройства, прежде чем переходить к массовому производству. Тот же процесс используется для таких приложений, как антенные решения для Интернета вещей, системы сотовой связи и конструкции всенаправленных антенн, где характеристики радиочастоты зависят от конечной среды установки.
8. Часто задаваемые вопросы о выборе антенны для Интернета вещей
Сколько заземления требуется антенне IoT?
Требуемый размер заземляющего слоя зависит от типа антенны, диапазона частот и конструкции изделия. В целом, на низкочастотные антенны больше влияет размер заземляющего слоя, а больший заземляющий слой может помочь поддерживать более стабильные радиочастотные характеристики. В технических характеристиках многих компактных моделей IoT-антенн указан рекомендуемый размер заземляющего слоя. Если окончательная компоновка печатной платы существенно отличается от эталонного проекта, возможно, потребуется корректировка настройки антенны.
Можно ли установить всенаправленную антенну внутри металлического корпуса?
В большинстве случаев это не рекомендуется. Металлический корпус может блокировать и отражать радиочастотные сигналы, что снижает эффективность излучения антенны. Для применений, требующих всенаправленной антенны, общий подход заключается в установке антенны снаружи металлического корпуса или в обеспечении радиочастотно-прозрачной области, такой как пластиковая секция или отверстие, для передачи сигнала.
Всегда ли антенна с более высоким коэффициентом усиления является лучшим выбором?
Не обязательно. Усиление антенны относится к направлению и концентрации излучаемой энергии, а не к увеличению общей мощности. Антенны с более высоким коэффициентом усиления обычно обеспечивают более сильное покрытие в определенных направлениях, но могут иметь более узкую диаграмму направленности. Для многих приложений IoT, особенно мобильных или многонаправленных развертываний, стабильное покрытие и подходящая диаграмма направленности могут быть более важными, чем максимальное значение усиления.