Подробное руководство по внешним антеннам

От небольших антенн, встроенных в мобильные устройства, до массивных антенных решеток, используемых в базовых станциях сотовой или спутниковой связи, антенны являются основными компонентами, используемыми в конструкциях беспроводной связи. Доступные в различных формах и размерах, антенны либо встроены в устройство (внутренние), либо закреплены снаружи (внешние). Внутренние антенны, часто используемые в компактных приложениях Интернета вещей (IoT), должны соответствовать строгим стандартам по размеру и производительности, несмотря на ряд присущих им конструктивных проблем. И наоборот, внешние антенны намного более стабильны и легче интегрируются из-за их форм-фактора и большего размера.

При работе с беспроводными моделями рекомендуется проверять правильную антенну на ранней стадии проектирования, чтобы избежать проблем с производительностью и дорогостоящих переделок. Для этого инженеры-проектировщики должны определить требования к продукту, такие как конструкция печатной платы, размер и корпус. Кроме того, следует учитывать параметры производительности, в том числе:

Пропускная способность
Коэффициент стоячей волны напряжения (КСВН)
Диаграмма излучения
Прирост
Далее мы предоставим инженерам-разработчикам исчерпывающее руководство по внешним антеннам с описанием их плюсов и минусов, ключевых параметров производительности и доступных различных типов.

Плюсы и минусы внешних антенн
Внешние антенны, прикрепленные к внешней стороне корпуса устройства через ВЧ-разъем, легко интегрируются и обычно требуют небольших проектных ресурсов. В отличие от внутренних антенн, внешние антенны часто представляют собой решения plug-and-play, которые не зависят от заземляющей поверхности, что означает, что они не сильно зависят от размера области печатной платы, к которой они подключены. Это позволяет сократить время разработки и быстрее выйти на рынок. Из-за своего большего размера внешние антенны обеспечивают большую дальность действия и чувствительность по сравнению с их внутренними аналогами. Кроме того, крепление к внешней стороне устройства позволяет им обеспечивать отличную прямую видимость. Внешние антенны часто не имеют более высокого номинального усиления (дБи), обеспечивая исключительную направленность для приложений, в которых передача сигнала должна быть сконцентрирована в определенном направлении.

Кроме того, антенны большего размера оптимальны для поддержки низких частот с более длинными волнами. Из-за этого многие внешние антенны с высоким коэффициентом усиления поддерживают полосу пропускания, которая простирается в нижнем суб-ГГц диапазоне, сохраняя при этом приемлемую производительность. Несмотря на множество преимуществ, которые предлагают внешние антенны, необходимо учитывать затраты, поскольку для производства антенн большего размера требуются дополнительные производственные процессы и материалы. Кроме того, для инженеров-проектировщиков, работающих с небольшими приложениями Интернета вещей, внешние антенны обычно не подходят из-за их размера и форм-фактора.

Ключевые рабочие параметры внешней антенны
Измерение полосы пропускания антенны и КСВН
Помимо определения правильного дизайна печатной платы, размера и корпуса для проекта, необходимо также учитывать ряд рабочих параметров, чтобы гарантировать надлежащую функциональность. Полоса пропускания должна быть оценена для определения оптимального диапазона частот, в котором антенна должна эффективно передавать и принимать сигналы. Например, рассмотрим конкретный Bluetooth ®Предполагается, что антенна будет работать наилучшим образом в полосе пропускания 100 МГц и частотах 2,4–2,5 ГГц. По своей природе антенны эта антенна Bluetooth также будет восприимчива к частотам, выходящим за пределы предполагаемой полосы пропускания, но ожидается, что антенна будет работать оптимально с определенной эффективностью именно в этом конкретном диапазоне частот (2,4–2,5 ГГц) ( процент) уровень. Однако это может варьироваться в зависимости от того, насколько точен антенный элемент. Часто определяющий фактор ширины полосы частот антенны, коэффициент стоячей волны по напряжению (КСВН), должен быть измерен, чтобы определить количество мощности, которое будет отражаться обратно в радио от антенны ( рис.). Чем меньше мощность отражается обратно в радио, тем эффективнее работает антенна. Предпочтительный КСВ для конкретной полосы пропускания обычно меньше или равен 3: 1. Например, антенна, которая утверждает, что работает в диапазоне от 100 МГц до 400 МГц, может указывать, что ее КСВ меньше 1,5 в пределах этой эффективности полосы пропускания. В этом случае это будет означать, что ожидается, что антенна будет отражать около 4 процентов мощности на радио.

Рисунок 1: Полоса пропускания антенны, определяемая КСВН. (Источник: Mobile Mark)

Определение диаграмм направленности излучения антенны
Чтобы определить распределение энергии вокруг антенны, необходимо оценивать диаграмму направленности, не считая числового параметра и в большей степени графического трехмерного представления. Хотя трехмерная диаграмма излучения дает полное представление о распределении энергии антенны, двухмерная диаграмма по-прежнему полезна, поскольку дает простой способ определить, где будет сосредоточена большая часть энергии антенны. Основная цель диаграммы направленности - визуализировать, насколько всенаправленная ( Рисунок 2 ) или направленная ( Рисунок 3)) антенна есть. Всенаправленная антенна описывается как имеющая относительно одинаковую диаграмму направленности во всех направлениях в пределах одной плоскости (т. Е. Горизонтальной плоскости xy). Между тем, направленная антенна имеет менее симметричную диаграмму направленности, при этом большая часть ее излучаемой энергии сосредоточена в одном направлении.

Рисунок 2 : Пример вертикальной и горизонтальной диаграммы направленности всенаправленной антенны. (Источник: ResearchGate)

Рисунок 3 : Пример диаграммы направленности направленной антенны по вертикали и горизонтали. (Источник: EVDO)

Оценка характеристик антенны с помощью усиления
Первым параметром, учитываемым при оценке характеристик антенны, является усиление. Коэффициент усиления всегда описывается в контексте диаграммы направленности антенны. Усиление определяется как мощность сигнала в направлении его пикового излучения по сравнению с изотропным источником. Изотропный источник предназначен для использования в качестве эталонной антенны, хотя физически его не существует. Эталонная антенна служит отличным источником для сравнения с реальной антенной, поскольку ее диаграмма направленности одинакова во всех направлениях. Ссылка Рисунок 4  для общей формулы для антенны усиления (дБи). Для любой антенны на практике увеличение ее усиления означает, что вы увеличиваете ее направленность, что увеличивает мощность в желаемом направлении за счет мощности, излучаемой в других направлениях.

Рисунок 4 : Формула усиления (дБи). (Источник: Abracon)

Типы внешних антенн
Внешние антенны бывают разных форм и размеров. Одним из распространенных примеров является антенна «резиновая утка», которая устанавливается вне интернет-роутера. Принадлежащие либо к всенаправленной, либо к направленной подгруппе, различные типы доступных внешних антенн обладают различными характеристиками для наилучшей поддержки конкретных вариантов использования.

Всенаправленные антенны
Антенны, такие как устанавливаемые на терминале, штыревые, резиновые и наружные дипольные, аналогичные тем, которые вы найдете в точках беспроводного доступа (WAP), по большей части являются всенаправленными антеннами. Типичная конструкция будет состоять из антенного элемента, заключенного в резиновую или пластмассовую оболочку, с открытым радиочастотным разъемом. Эти всенаправленные антенны всегда не зависят от плоскости заземления, что делает простое соединение с передатчиком единственным требованием для интеграции. Из-за ненаправленного характера этих антенн они предназначены для вертикальной ориентации к земле, так как имеют тенденцию широко излучать в своей горизонтальной (xy) плоскости. Любые беспроводные приложения, требующие связи точка-множество точек, получат наибольшую выгоду от этого типа диаграммы направленности. Например,

Другие всенаправленные антенны
Антенны шайбового типа, с магнитным креплением и с винтовым креплением предназначены для плоской установки на поверхности, например потолке или крыше автомобиля. Их можно установить на металлическую или неметаллическую поверхность, в зависимости от модели антенны. Форм-фактор - большая отличительная черта. Как правило, они имеют более низкопрофильный дизайн, что делает их идеальными для клиентов, которым нужен внешний вид, отличный от более крупного профиля, такого как антенна для монтажа на терминале. По своей конструкции многие антенны в виде шайб могут поддерживать встроенные малошумящие усилители (LNA) для значительного улучшения приема сигнала, особенно для слабых входящих сигналов Глобальной навигационной спутниковой системы (GNSS). В отличие от штыревых антенн, шайбовые антенны часто предназначены для горизонтальной ориентации по отношению к земле или небу, поскольку они, как правило, имеют более 360-градусное покрытие в вертикальной плоскости.® , потолочная антенна в центре одного этажа офиса. Зона покрытия сигнала должна быть направлена ​​вниз, чтобы обеспечить надлежащий прием для всех компьютеров, телефонов и принтеров, расположенных ниже. Еще одним преимуществом форм-фактора антенны в виде шайбы является то, что многие разные модели могут поддерживать несколько беспроводных протоколов. Это оптимально для любой базовой станции, которая хочет объединить все различные антенны, необходимые для GNSS, сотовой связи и Wi-Fi, в одном форм-факторе. Комбинированная антенна, такая как эта, по сути, представляет собой три разных антенных элемента, размещенных в одном корпусе, при этом каждый изменяющийся протокол имеет свой собственный кабель и разъем.  

Направленные антенны
Антенны Panel, Dish и Yagi предназначены для приложений, которые зависят от двухточечной или многоточечной связи на больших расстояниях. Из-за очень сфокусированных диаграмм направленности этих антенн вы всегда можете ожидать увидеть высокий коэффициент усиления (дБи) в их таблицах данных (обычно выше 9 дБи). Благодаря высокому пиковому усилению, которое эти антенны обеспечивают в одном направлении, они идеально подходят для любого требовательного приложения большой дальности, где конечное устройство или группа устройств сосредоточены в определенной области. Например, пара офисных зданий, совместно использующих одну и ту же беспроводную сеть, будет иметь внешнюю антенну Yagi или панельную антенну с каждой стороны, причем обе антенны ориентированы друг на друга, чтобы сформировать канал связи точка-точка.