Jak zvolit správnou anténu ve 3 krocích

1.Identifikujte své potřeby

Nejlépe, pokud začnete mechanickými vlastnostmi antény. Jaký typ antény je vhodný pro splnění požadavků aplikace z mechanického hlediska?
Při výběru nejoptimálnější antény se rozhodněte, zda bude anténa:

• umístěna interně, například v mobilním zařízení nebo
• externí anténa, tzn., že anténa bude potřebovat kryt na ochranu před vnějšími vlivy prostředí

Partner SOS electronic, 2J Antennas, nabízí široký výběr samostatných a kombinovaných antén pro vnitřní i venkovní montáž.

Samostatné a kombinované antény pro interní montáž

• FLEXIBILNÍ LEPENÁ MONTÁŽ (ADHESIVE MOUNT FLEXIBLE)
  Antény malých rozměrů, ohebné s flexibilní instalací na nerovném povrchu.

• PEVNÁ LEPENÁ MONTÁŽ (ADHESIVE MOUNT RIGID)
  Montáž oboustrannou lepicí páskou průmyslové kvality je ideální pro instalaci na rovný povrch.

• SMT POVRCHOVÁ MONTÁŽ - KERAMICKÉ ANTÉNY (SURFACE MOUNT CERAMIC)
  Díky keramice vysoké kvality je tato povrchová montáž vhodná pro široké spektrum prostředí, je kompatibilní s technikou povrchové montáže (SMT), která umožňuje snadnou integraci DPS do malých zařízení.

• POVRCHOVĚ MONTOVANÉ FR4 ANTÉNY (SURFACE MOUNT FIBERGLASS)
  Montáž je vhodná pro malé antény, současně nabízí cenově výhodné řešení pro konstruktéry zařízení. Tyto antény jsou vhodné pro SMT strojní osazení.

• ANTÉNY PRO THT MONTÁŽ (THRU-HOLE MOUNT CERAMIC)
  Upevnění přes otvor je obvykle ve středu antény, čímž se zajistí bezpečnost při osazení na DPS.

• MONTÁŽNÍ MODUL SNAP-IN (SNAP-IN MOUNT MODULE)
  Fixuje anténu na potřebném místě, zabrání nežádoucí rotaci a urychlí instalaci a výměnu antény.

• ŠROUBOVACÍ MONTÁŽNÍ MODUL (SCREW MOUNT MODULE)
  Modulární antény, které lze nainstalovat na distanční sloupky.
  
  

Samostatné a kombinované antény, určené pro venkovní montáž

• UPEVNĚNÍ NA KONEKTOR (CONNECTOR MOUNT)
  Pro antény, které vyžadují montáž přímo na konektory do DPS na/v zařízeních.

• LEPENÉ ANTÉNY (ADHESIVE MOUNT)
  Použití průmyslového lepidla je ideálním řešením pro rychlou montáž.
  
  
• MONTÁŽ ŠROUBKY (SCREW MOUNT)
  Bezpečná a trvalá instalace i v extrémních venkovních podmínkách.
  
  
• MAGNETICKÁ MONTÁŽ (MAGNETIC MOUNT)
  Výhodou je flexibilita pro dočasnou instalaci, současně je to dostatečně pevné spojení pro trvalé instalace.
  
  
• MONTÁŽ NA STĚNU (WALL MOUNT)
  Vhodná pro vnitřní nebo venkovní instalace.
  
  
• MONTÁŽ NA STOŽÁR (POLE MOUNT)
  Ideální pro námořní aplikace nebo montáž na kovové konstrukce.
  
  
• MAGNETICKÁ MONTÁŽ / MONTÁŽ LEPENÍM (MAGNETIC/ADHESIVE MOUNT)
  Magnetická nebo lepená montáž pro vnější instalace, vhodná pro nemagnetické kovové povrchy.
  
  
• MONTÁŽ NA STĚNU/ LEPENÍM (WALL/ADHESIVE MOUNT)
  Nabízí možnost upevnění na stěnu lepidlem, vhodná pro instalaci na stěnu budovy.
  
  
• MONTÁŽ SUCHÝM ZIPEM / LEPENÍM (VELCRO/ADHESIVE MOUNT)
  Suchý zip poskytuje perfektní řešení pro dočasně používané antény.
  
  

Co je frekvence a vlnová délka?

Bezdrátové pásmo určené pro provoz zařízení se nazývá frekvence. Antény jsou navrženy tak, aby byly schopny pracovat v určitém frekvenčním pásmu. Pokud je například zařízení naladěno pro používání pásma B17 (700 MHz), odpovídající anténa musí fungovat v rozsahu 704 až 746 MHz.frekvencia

Vlnová délka (lambda) je vzdálenost, kterou rádiové vlny projdou během jednoho cyklu. Jestliže má anténa délku přesně lambda/4, pak je její účinnost nejvyšší a dosahuje i nejvyšší kvality signálu.

Čtvrtina vlnové délky se vypočítá podle vzorce:
Quarter Wavelength(mm) = (75/ Freq_MHz)*1,000

DŮLEŽITÉ: Pro zařízení, která pracují v pásmu ISM, se dají velmi výhodně použít antény určené pro 4G/LTE aplikace nebo pro 2G/3G frekvenční pásma. 4G/LTE funguje v rozsahu 698-960MHz a 2G/3G v rozsahu 824-960MHz, což jsou přesně frekvence pásma ISM 868MHz (EMEA) nebo 915MHz (USA a Asie).

Pro zajištění správného výběru antény kontaktujte naše obchodní oddělení a požádejte o další pomoc.

Obr. 1. Příklady 1/4 vlnové délky; graf frekvence/délka

Standardy & Pásma

V našem portfoliu naleznete produkty 2J Antennas, které fungují v rámci mnoha globálních standardů. Například 4G LTE antény jsou kompatibilní s Cat-M, Cat-X, Cat-NB, NB-IoT a rovněž SigFox a LoRa, také známé pod zkratkou LPWA. Stejná analogie se může vztahovat i na jiné frekvence. Například pro SigFox nebo LoRa v pásmu 2,4 GHz se mohou použít WIFI antény. 
Antény GNSS jsou k dispozici s pre-filter, mid-filter nebo no-filter, aby se daly přizpůsobit různým požadavkům zákazníků. Pre-filter nabízí nejvyšší odolnost a nejlepší příjem, proto je standardem na všech anténách GNSS. Je důležité také porovnat zisk a šum v případě aktivních GNSS antén.

Standardy antén z portfolia 2J:

• 5GNR/4GLTE/FirstNet/CBRS/LPWA/3G/2G
• 4GLTE/FirstNet/NB-IoT/Cat-X-Mx-NBx/LPWA
• 3G/2G
• 2.4-5.0GHz WiFi/Bluetooth/ISM
• IRIDIUM
• GPS/GLONASS/BeiDou/QZSS/Galileo
• 433/868/915MHz/LPWA/Sigfox/LoRa /RFID/ZigBee/ISM
• TETRA/UHF/PMR/LMR
• 169MHz/ERMES/VHF
• DECAWAVE
• DSRC/C-V2X
• ORBCOMM 
• AIS
• DAB
• HDTV/DVBT
• AM/FM 

Obr. 2. Graf frekvenčních pásem

2. Vysvětlení termínů

Abychom zjednodušili výběr, zdůraznili jsme pár klíčových pojmů, které si zaslouží pozornost. Tyto parametry se používají při výběru správné antény, aby bylo dosaženo co nejlepších výsledků. Nicméně, jak dobře znáte parametry, které jsou používány při testování a měření?

Testovací podmínky
Testování antén musí probíhat v kontrolovaném prostoru za přísně stanovených podmínek. Každý výrobce antén však může mírně upravit podmínky měření podle svých kritérií. Tyto měřící podmínky by měly být zveřejněny. Umístění antény a materiálů v okolí antény může mít zásadní vliv na výsledky měření. Pokud je například anténa určena k montáži šroubky na kovovou plochu, musí se testovat s touto kovovou plochou, protože jejím umístěním, např. do volného prostoru, dojde ke zkreslení měřených údajů.

Společnost 2J Antennas zveřejňuje kompletní měřící podmínky, aby zajistila svým zákazníkům co možná nejpřesnější údaje, díky kterým bude integrace antény v zařízení úspěšná.

K tomu, abyste správně vybrali produkt z nabídky několika výrobců, doporučujeme, aby se pro všechna testování použil vysoce kvalitní kabel se standardní délkou, čímž se optimalizují výsledky měření výkonu antény. Během testování by se neměly provádět žádné změny, např. použití kratšího či žádného kabelu. Mělo by to za následek nepřesné výsledky účinnosti, maximálního zisku a průměrného zisku.

Ztráta odrazem (RL)
Ztráta odrazem (RL) se měří v decibelech (dB) a představuje poměr přenesené energie a energie, která se vrátí zpět z antény jako odražená vlna. Čím je tento poměr nižší, tím je anténa kvalitnější. Pro 50 Ohmový systém je doporučená hodnota ztráty odrazem -5 dB nebo méně. Pomocí tohoto parametru lze ve velké míře předpovídat výkon antény napříč frekvenčním pásmem, pro které je určena.

Voltage Standing Wave Ratio (VSWR)
VSWR je dalším parametrem, který se používá k měření, kolik energie se přenáší ze zařízení na anténu, ale s jinou matematickou stupnicí, než je ta, která se používá při RL

Čím je hodnota blíže k 1, tím lépe, tzn., že soustava je nejblíže k 50 Ohmovému systému. Doporučuje se mít maximum VSWR 3,5. V tabulce níže se dozvíte více o vztahu mezi RL a VSWR, jakož i dalšími RF parametry a hodnotami.

Tabulka 1. Tabulka konverze RL na VSWR a další RF parametry.

Šířka pásma je vlastně rozsah pracovních frekvencí. Malý frekvenční rozsah znamená úzké pásmo a širší frekvenční rozsah je kategorizován jako širokopásmový. Je důležité zvolit správnou anténu s vhodnou šířkou pásma, protože úzkopásmová a širokopásmová připojení nejsou zaměnitelná.

Účinnost
Účinnost antény (vyzařovací účinnost) je míra elektrické účinnosti, při které rádiová anténa konvertuje přijatý vysokofrekvenční výkon na vyzářený výkon. Jinými slovy to znamená, jaké procento přijaté energie dokáže daná anténa odevzdat do okolního prostředí.
(100% znamená veškerá energie je vyzářena, 50% znamená polovina energie je vyzářena, doporučené minimum je 25%, ovšem v některých případech může klesnout na 10%. Nicméně, čím je vyšší, tím je samozřejmě lepší.)

Maximální zisk (Peak gain)
Nejdůležitějším parametrem mobilní komunikace je účinnost antény následována maximálním ziskem.
Zisk dané antény je schopnost antény nasměrovat nebo koncentrovat vysokofrekvenční energii v konkrétním směru nebo vzoru. Obvykle se měří v dBi (Decibels relative to an isotropic radiator). Účinnost udává, kolik energie se vyzařuje do vzduchu všesměrově, zatímco maximální zisk udává zisk pouze v jednom konkrétním směru.
Pro pevné umístěny antény je nejdůležitějším parametrem maximální zisk, protože veškerá energie musí být soustředěna jedním směrem.

Tato hodnota se nachází v jednom bodu ve spektru záření, který je maximálním bodem vzoru v 3D prostoru.

Průměrný zisk antény (Average Gain)
Podobně jako účinnost, průměrný zisk je vyjádřen s odlišnou matematickou stupnicí (dB) a zohledňuje všechny ztráty z nepřizpůsobení. 100% je 0 dB, což je maximální vyzářená energie, 50% je -3 dB, což je polovina vyzářené energie atd. Vztah mezi účinností a průměrným ziskem najdete v následující tabulce:

Tabulka 2. účinnost/ průměrný zisk

Vyzařovací vzory (Radiation Patterns)
Vyzařovací vzory antény je výkon rádiových vln přenášených anténou, který se znázorňuje v různých směrech a úhlech v 3D prostoru.
Všesměrové antény nabízejí 360 stupňový vzor záření ve tvaru jablka, který je rovnoměrně rozložen ve všech směrech a je ideální pro připojení zařízení, která jsou umístěna ve stejné rovině a na obou stranách.
Hemisférické antény vyzařují výkon do hemisféry (poloviny prostoru).
Směrové antény vyzařují energii jedním určeným směrem, což umožňuje větší přenosové vzdálenosti s menším rušením a menším výkonem.

Obrázek ukazuje energii vyzařovanou do okolí v trojrozměrném nebo dvourozměrném vzoru. V 2D grafu jsou zobrazeny vodorovné a svislé roviny.

Obr. 3 Vzor záření 3D a 2D graf

Polarizace
Polarizace je orientace elektrického pole elektromagnetické vlny. Dvě nejběžnější polarizace jsou lineární a kruhové.
Při lineární polarizaci zůstává vektor elektrického pole v téže rovině, zatímco při kruhové polarizaci vektor elektrického pole rotuje kruhovým pohybem a uskuteční jednu otočku pro každý RF cyklus. Tuto rotaci lze zvolit jako RHCP (pravotočivá kruhová polarizace) nebo LHCP (levotočivá kruhová polarizace).

3.Všeobecné informace

Protiváha (Ground Plane)
Protiváha je elektricky vodivá plocha nebo povrch země, která působí jako vodič a odráží rádiové vlny vyzařované anténou. Tvar, velikost a minimální potřebná plocha protiváhy hrají důležitou roli při určování vyzařovacích charakteristik a zisku antény.

V portfoliu 2J Antennas se nacházejí antény, které jsou laděny pro použití s protiváhou nebo i bez ní.

Pro velké vysílací antény v pásmu LF plně postačuje jako protiváha zemský povrch nebo oceán. V případě VHF a UHF pásma může být plocha protiváhy výrazně menší. V těchto případech se jako protiváha používá kovová plocha ve tvaru disku, kovová mřížka nebo drátová protiváha. V automobilovém, námořním a leteckém průmyslu může jako dostatečná protiváha posloužit i kovová konstrukce (auta/letadla/lodě).

Vodivá plocha musí zpravidla představovat alespoň čtvrtinu vlnové délky rádiových vln, v ideálním případě platí, že čím větší je plochá protiváhy, tím je vyšší výkon dané antény. 

Maximální vstupní výkon
Maximální vstupní výkon je maximální výkon (ve wattech), který může být dodáván na jeden anténní port při zachování jejích původních parametrů, aniž by ji poškodil.

Typy kabelů a konektorů
Správný výběr typů RF kabelů a konektorů je rozhodující pro správnou funkci antény. Konektor slouží jako mechanické spojení mezi anténou a RF vysílačem/přijímačem. Kabel je přenosové vedení pro vysokofrekvenční signály spojující vysílače a přijímače s anténou. Délka kabelu ovlivňuje kvalitu a sílu signálu. Výběr kvalitního kabelu a konektoru, který je kompatibilní s anténou, zajistí optimální výkon antény. 

Při zvažování koupě produktu je důležité před podáním žádosti o cenovou nabídku správně určit typ konektorů, polaritu a geometrii, jakož i délku kabelu.

2J Antennas je naším dlouhodobým partnerem v oblasti antén. Pro nás, jako projektově orientovaného distributora, jsou jejich zkušenosti velkým a cenným přínosem. Mnoho projektů našich zákazníků se nám podařilo vyřešit právě využitím jejich širokého portfolia a odborných znalostí týmu z 2J Antennas. Kontaktujte nás.

Velmi nás těší, že vás téma antén zaujalo. Přečtěte si i pokračování:

Více informací k produktům značky 2J Antennas vám rádi poskytneme na adrese info.cz@soselectronic.com

Zdroj: 2J Antennas