Use antenas multibanda resistentes para resolver el desafío de la conectividad móvil

Junto con los teléfonos inteligentes y los dispositivos de IoT (Internet de las cosas), otros controladores importantes para la conectividad inalámbrica móvil son las aplicaciones de transporte, incluidos los ferrocarriles, los camiones y el seguimiento de activos. Estas aplicaciones imponen un conjunto único de demandas significativas a la antena del sistema, tales como vibraciones, impactos, temperaturas extremas, lluvia, humedad, y la necesidad de operar en anchos de banda amplios e incluso en múltiples bandas; todo mientras brindan un rendimiento constante.

Si bien es posible diseñar y crear una antena adecuada, en casi todas las aplicaciones desafiantes tiene más sentido usar una unidad estándar, bien diseñada, bien construida, totalmente caracterizada y lista para usar. Hacer esto reduce el costo y el tiempo de desarrollo a la vez que aumenta el nivel de confianza en el diseño final.

Este artículo examina los problemas asociados con el diseño de antenas de transporte. Luego introduce dos antenas multibanda de TE Connectivity diseñadas para montarse en la superficie de un gabinete, incluida una "caja" básica y posiblemente un vehículo en movimiento expuesto.

Las aplicaciones impulsan la implementación

La antena es el transductor vital entre un circuito electrónico y los EM (campos electromagnéticos) de espacio libre, por lo que suele ser el elemento más expuesto del diseño. Sin embargo, debe ofrecer el rendimiento eléctrico y de RF deseado a pesar de las duras condiciones ambientales mediante el uso de un factor de forma compatible con el diseño general del sistema.

Para los sistemas de carga y, en especial, los ferrocarriles de pasajeros de alta velocidad, también debe integrarse fácilmente en un gabinete aerodinámico que presente una resistencia mínima al viento y pueda protegerse de las duras condiciones ambientales (Figura 1). Se aplican restricciones similares a las situaciones de seguimiento de activos en las que la antena debe estar expuesta para recibir señales del GNSS (sistema global de navegación por satélite).

Figura 1: la conectividad móvil que utiliza varios estándares y bandas es ahora una expectativa en las instalaciones móviles de alta velocidad, tales como los trenes, que enfrentan desafíos debido a la resistencia al viento y la dureza del medio ambiente. (Fuente de la imagen: TE Connectivity)

La antena óptima es una combinación cuidadosa de características específicas de la aplicación, incluidos los patrones de radiación deseados, la coincidencia de impedancia adecuada, la VSWR (relación de onda estacionaria de bajo voltaje), la integridad mecánica, la idoneidad del gabinete y la facilidad de las conexiones eléctricas. En muchos casos, también existe la necesidad de mejorar la ruta de la señal y maximizar la SNR (relación señal-ruido) del front end mediante el uso de una antena activa con un amplificador de bajo ruido integrado.

Al igual que con todos los componentes, existen algunos parámetros de primer nivel que se utilizan para caracterizar casi todos los diseños e instalaciones de antenas, así como también otros que pueden ser más o menos críticos en una situación determinada. Para las antenas, los patrones de radiación y el rendimiento en la banda especificada son consideraciones clave.

Implementación de los principios de la antena

La orientación de las antenas utilizadas para el transporte y el seguimiento de activos es un desafío, ya que es aleatoria y cambiante, lo que hace importante que tengan un patrón omnidireccional consistente para las vistas superiores y laterales en toda la banda especificada.

Por ejemplo, la antena dual 1-2309605-1 M2M MiMo LTE de TE Connectivity está diseñada para bandas de 698 a 960 Mhz (megahercios) y de 1710 a 3800 MHz, y tiene como objetivo aplicaciones de 2G, 3G, 4G, celulares, GSM y LTE (Figura 2). Una sola antena puede ser efectiva para esta lista de estándares porque es independiente con respecto al formato de señal específico que transmite o el estándar que admite. Su diseño se define principalmente por la frecuencia, el ancho de banda y la potencia.

Figura 2: el 1-2309605-1 de TE Connectivity es un módulo único que comprende dos antenas independientes: una para operar de 698 a 960 MHz y la otra para operar de 1710 a 3800 MHz. (Fuente de la imagen: TE Connectivity)

Tenga en cuenta que una antena "dual" no es lo mismo que una antena de "doble banda". Una antena dual, como la 1-2309605-1, tiene dos antenas independientes en un solo receptáculo y cada una tiene su propia alimentación. Una unidad de doble banda es una sola antena con una alimentación, diseñada para admitir dos (o más) bandas.

Al mirar la antena de banda inferior de la 1-2309605-1, su patrón de radiación para las orientaciones superiores y laterales es uniforme en todo el ancho de banda, desde el extremo inferior a unos 700 MHz se extiende hasta las frecuencias superiores, a unos 900 MHz (Figura 3).

Figura 3: los gráficos de ganancia lateral (izquierda) y superior (derecha) del 1-2309605-1 a 700, 800 y 900 MHz (fila superior, fila central, fila inferior, respectivamente) muestran un patrón de radiación bastante uniforme. (Material de fuente de la imagen: TE Connectivity)

A 700 MHz (el extremo inferior de la banda de frecuencia), la ganancia en dBi (decibeles en relación con una antena isotrópica), una métrica estándar que indica la directividad de la antena, es de solo 1.5 dBi, lo que representa un patrón de radiación bastante uniforme. Esta uniformidad y homogeneidad contribuye a un rendimiento uniforme, independientemente de la orientación de la antena. Además, el patrón de radiación para el extremo de frecuencia más alta de 900 MHz también es bastante uniforme con una ganancia de solo 4.5 dBi.

Otro parámetro importante de la antena es la VSWR, que se define formalmente como la relación entre el voltaje máximo y el mínimo, o la relación entre las ondas estacionarias de voltaje transmitidas y reflejadas en una línea de transmisión sin pérdidas. En un escenario ideal, la VSWR sería de 1:1. Si bien esto suele ser difícil de lograr, por lo general es una práctica aceptable trabajar con una VSWR de un solo dígito bajo.

Para la antena dual 1-2309605-1 M2M MiMo LTE, que puede soportar hasta 20 vatios de potencia de transmisión, la VSWR máxima cuando se mide con 3 metros (m) de cable RG174 es de alrededor de 3:1 en un extremo y más cercano a 1.5:1 a través de la mayoría de sus bandas de operación (Figura 4). En general, esto es lo suficientemente bajo para muchas de las aplicaciones objetivo.

Figura 4: la VSWR (eje vertical) para la antena dual 1-2309605-1 M2M MiMo LTE medida con 3 m de cable RG174 muestra un valor bajo en todo el rango de frecuencia activo (eje x). (Fuente de la imagen: TE Connectivity)

En la Figura 4, el verde es el elemento n.° 1 de menor frecuencia, el rojo es el elemento n.° 2 de mayor frecuencia y el negro es para los elementos n.° 1 y n.° 2 en el espacio libre, mientras que el azul es para los elementos n.° 1 y n.° 2 en un plano de tierra de 400 × 400 milímetros (mm).

Antenas coubicadas

Es posible ubicar dos o más antenas separadas para cubrir múltiples bandas. Sin embargo, esto conduce a varios problemas potenciales. Primero, está el tema obvio del espacio y el hardware de montaje requerido en un panel u otra superficie, así como también los costos de instalación asociados. En segundo lugar, existen preocupaciones sobre la interacción EM entre antenas que afectará sus patrones y rendimiento (esto restringe cómo se pueden colocar una con respecto a la otra). Esta interacción se mide como aislamiento de antenas al definir hasta qué punto una antena captará la radiación de otra antena.

La solución a este dilema es utilizar una sola unidad de antenas que combine múltiples antenas dentro de un solo receptáculo o gabinete. Mecánicamente, esto reduce el tamaño total, simplifica la instalación y el enrutamiento del cable de la antena y presenta una apariencia externa aerodinámica.

Eléctricamente, significa que el aislamiento entre las antenas se puede medir y especificar de antemano, lo que minimiza las preocupaciones sobre interacciones inesperadas o imprevistas. Para la antena dual 1-2309605-1 M2M MiMo LTE, el aislamiento es de al menos 15 dB, que aumenta hacia los centros de las dos bandas a las que sirve la unidad (Figura 5).

Figura 5: el aislamiento (eje y, dB) entre las dos antenas dentro del módulo de antena dual 2309605-1 M2M MiMo LTE es de 15 dB o mejor, medido en función de la frecuencia (eje x, MHz). (Fuente de la imagen: TE Connectivity)

Una función de antena receptora activa

Además de las dos bandas cubiertas por la antena dual 1-2309605-1, muchas aplicaciones, como el seguimiento de activos, también necesitan recibir señales de los sistemas GNSS de GPS (EE. UU.), Galileo (Europa) y Beidou (China) para obtener información sobre la posición o el tiempo. Para simplificar esta tarea y evitar la necesidad de otra antena discreta externa, TE ofrece la 1-2309646-1. Esto agrega a las dos antenas de la unidad de antena dual una tercera antena de solo recepción para señales GNSS entre 1562 y 1612 MHz.

Sin embargo, la necesidad de recibir señales GNSS agrega otro desafío para el diseñador de sistemas que se remonta a los conceptos básicos de las funciones de transmisión frente a las de recepción. Cuando se utiliza para transmitir, la antena y su línea de alimentación se encuentran en una situación determinista: toman la señal conocida, controlada y bien definida del PA (amplificador de potencia) del transmisor y la emiten. Hay poca preocupación por el ruido interno en esa señal, la interferencia dentro de la banda o las señales fuera de banda entre el PA y la antena.

Debido al principio de reciprocidad que se aplica a todas las antenas, la misma antena física que se utiliza para transmitir se puede utilizar para recibir. Sin embargo, las condiciones de funcionamiento para recibir son bastante diferentes de las que existen para transmitir. Debido a que la antena está tratando de capturar una señal con incógnitas en presencia de interferencia y ruido dentro de banda e incluso fuera de banda, la señal recibida deseada no es determinista, ya que tiene muchas características aleatorias.

Además, la intensidad de la señal recibida es baja (del orden de microvoltios a unos pocos milivoltios) y la SNR también es baja. Para las señales GNSS, la potencia de la señal recibida suele estar entre -127 y -25 dBm (dB en relación con un milivatio), mientras que la SNR suele estar entre 10 y 20 dB. Esta frágil señal se atenuará debido a las pérdidas en el cable entre la antena y el front end receptor, y su SNR también se verá degradada por el inevitable ruido térmico y de otro tipo en el cable de transmisión.

Por estas razones, la 1-2309646-1 incorpora un amplificador de bajo ruido como otra característica para su tercera antena GNSS de solo recepción. El amplificador de bajo ruido proporciona una ganancia de 42 dB para las señales GNSS, lo que aumenta significativamente la intensidad de la señal recibida. Para simplificar el uso del amplificador de bajo ruido, este recibe su alimentación (de 3 a 5 voltios de DC, a no más de 20 mA (miliamperios)) a través del cable coaxial de la señal de RF amplificada mediante el uso de una técnica de superposición bien establecida.

La alimentación de DC se envía por el cable entre la unidad receptora y el LNB (bloque de bajo ruido) (Figura 6). La alimentación de DC para el amplificador de bajo ruido (V1) está bloqueada para que no llegue a la unidad principal de radio (front end) mediante pequeños condensadores en serie (C1 y C2). Estos condensadores permiten que la señal de RF amplificada de la antena (ANT1) pase a la unidad principal de radio (OUT). Al mismo tiempo, los inductores en serie (reactores) L1 y L2 bloquean la señal de RF amplificada para que no regrese a la fuente de alimentación V1. De esta forma, la alimentación de DC al amplificador de bajo ruido y la RF amplificada del amplificador de bajo ruido a la unidad principal de radio pueden compartir el mismo cable coaxial de interconexión.

Figura 6: la alimentación de DC al amplificador de bajo ruido de la antena se puede superponer al cable que transporta la salida de la antena/amplificador de bajo ruido mediante el uso de una disposición inteligente de inductores y condensadores que separan y aíslan la alimentación de DC y la señal de RF en cada extremo. (Fuente de la imagen: Electronics Stack Exchange)

Procedimiento de conexión física

Cualquier antena o conjunto de elementos de antenas debe tener una forma confiable, conveniente y eléctrica y mecánicamente segura de conectarse y desconectarse del front end de radio al que sirven. Además, el conjunto de antenas completo debe protegerse del medio ambiente y ser fácil de montar con un impacto mínimo en la superficie de montaje.

Para cumplir con estos objetivos, cada banda de la 1-2309605-1 de dos bandas y la 1-2309646-1 de tres bandas está equipada con un cable coaxial RG-174 de 3 metros con un enchufe SMA estándar en el extremo (Figura 7). Como resultado, conectar o desconectar una o más de las antenas es sencillo y se puede hacer fácilmente en la fábrica durante el montaje del sistema, o en el campo como complemento.

Figura 7: cada antena dentro de la 1-2309605-1 y 1-2309646-1 tiene su propio cable coaxial RG-174 con un enchufe SMA en el extremo para simplificar la instalación, conexión, prueba y desmontaje si es necesario. (Fuente de la imagen: TE Connectivity)

Además, la fijación del módulo de múltiples antenas a la superficie del sistema se facilita mediante el uso de una única varilla de montaje interna de 18 mm, además de una almohadilla adhesiva acrílica alrededor del borde inferior del receptáculo de la antena. La conexión de la antena es una operación rápida que no deja piezas expuestas que puedan oxidarse, aflojarse o apretarse incorrectamente.

El receptáculo de estas antenas está optimizado para aplicaciones móviles de movimiento de alta velocidad. La unidad aerodinámica tiene solo 45 mm de ancho y 150 mm de largo con bordes redondeados (similar a la "aleta de tiburón" en el techo de los automóviles) para minimizar su coeficiente de arrastre y resistencia al viento. Además, el material del receptáculo estabilizado contra los rayos UV garantiza que la exposición a la luz solar no debilite el receptáculo con el tiempo.

Conclusión:

La conectividad inalámbrica móvil, de alta velocidad y multibanda para el transporte requiere un ensamblaje de antenas que pueda cumplir con los exigentes objetivos eléctricos, ambientales y mecánicos. Los módulos de dos y tres antenas de TE Connectivity proporcionan antenas de banda baja, banda alta y banda GNSS opcional, junto con un amplificador de bajo ruido interno para esta última. Estas unidades están equipadas con conectores y cables coaxiales individuales para cada antena, además de una disposición sencilla de montaje en superficie o en panel para facilitar la instalación y brindar resistencia ambiental fundamental.

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