Een antenne is een energieomzetter die geleide golven die zich voortplanten via een transmissielijn omzet in elektromagnetische golven die zich voortplanten in een onbegrensd medium, of omgekeerd. Bij het ontwerp van een draadloos zend-ontvangstapparaat met een laag vermogen en een kort bereik op 2,4 GHz, dat wordt gebruikt in een radiofrequentiesysteem, vormen het ontwerp en de keuze van de antenne een belangrijk onderdeel. Een uitstekend antennesysteem kan de communicatieafstand optimaliseren. Er zijn veel soorten 2,4 GHz-antennes, en verschillende toepassingen vereisen verschillende antennes.
Inleiding tot antennes
Om het zendvermogen van de antenne te waarborgen, bedraagt de lengte van de antenne ongeveer een kwart van de golflengte van de elektromagnetische golf. Hoe lager de signaalfrequentie, hoe langer de golflengte en hoe langer de antenne; hoe hoger de signaalfrequentie, hoe korter de golflengte en hoe korter de antenne.
De veelgebruikte 2,4 GHz-frequentieband heeft een hoge frequentie, een korte golflengte en een korte antennelengte. Er kan gebruik worden gemaakt van interne of externe antennes. Kortere antennes, zoals 1/8 golflengte of 1/16 golflengte, kunnen ook normaal worden gebruikt, maar het vermogen zal dan wel afnemen. Sommige apparaten maken gebruik van de “korte-antenne-LNA”-methode, waarmee eveneens het ontvangsteffect van een lange antenne kan worden bereikt.
Om echter met een korte antenne hetzelfde zendresultaat te bereiken als met een lange antenne, moet het zendvermogen worden verhoogd. Daarom moeten walkietalkies signalen uitzenden en zijn ze allemaal voorzien van lange externe antennes, terwijl FM-radio’s alleen ontvangen maar niet uitzenden en beschikken over ingebouwde ontvangstantennes. Zo kunnen bijvoorbeeld 2G (900 MHz), 4G (700-2600 MHz), wifi en Bluetooth (2,4 GHz) en GPS (1,5 GHz) – veelgebruikte IoT-communicatiemethoden – als ingebouwde antennes worden gebruikt.
Bij kleinschalige producten zoals draagbare apparaten, wearables en slimme huizen worden zelden externe antennes gebruikt; meestal wordt er gebruikgemaakt van ingebouwde antennes. De mate van integratie is hoog, het product ziet er mooier uit, maar de prestaties zijn iets minder dan die van een externe antenne.
Voor het internet der dingen en slimme hardwareproducten zijn antennes nodig om gegevens via het internet te verzenden. Hoe kleiner de ruimte en hoe meer frequentiebanden, hoe complexer het ontwerp van de antenne zal zijn. Externe antennes zijn over het algemeen standaardproducten. Als u er een koopt met de juiste frequentieband, is er geen afstelling nodig; het is gewoon ‘plug and play’.
Zo maken bijvoorbeeld koerierskasten en verkoopautomaten doorgaans gebruik van magnetische externe antennes, die aan de ijzeren behuizing kunnen worden bevestigd. Deze antennes kunnen niet in een metalen kast worden geplaatst. Het metaal blokkeert het antennesignaal, waardoor ze alleen aan de buitenkant kunnen worden geplaatst. Het voordeel is dat ze gebruiksvriendelijk en goedkoop zijn, maar het nadeel is dat ze niet kunnen worden gebruikt in producten op kleine schaal.
Antennecategorie
Hoe kiest u nu uit het grote aanbod aan 2,4 GHz-antennes de antenne die het meest geschikt is voor uw draadloze zend-ontvangstapparatuur? Hieronder leggen we uit hoe u de juiste 2,4 GHz-antenne kiest aan de hand van een indeling en vergelijking van deze antennes. Antennes die in de 2,4 GHz-frequentieband worden gebruikt, zijn voornamelijk keramische antennes, PCB-antennes en veerantennes. Keramische antennes en PCB-antennes zijn interne antennes, terwijl veerantennes externe antennes zijn.
Vergelijking van 2,4 GHz-antennes
Om de keuze van een 2,4 GHz-antenne te vereenvoudigen, worden in de volgende tabel de belangrijkste antennetypen met elkaar vergeleken:
| Type antenne | Maat | Prestaties | Kosten | Typische toepassing |
|---|---|---|---|---|
| Keramiek | Heel klein | Goed | Medium | Bluetooth, compacte IoT-apparaten |
| PCB | Klein | Medium | Laag | Voordelige modules, eenvoudige ontwerpen |
| Extern | Groot | Hoog | Hoger | Industrieel IoT, communicatie over lange afstanden |
(1) Keramische antenne
Het werkingsprincipe van keramische antennes is gebaseerd op het gebruik van GPS-satellieten voor navigatie en positiebepaling, en de belangrijkste taak van de ontvanger van de gebruiker is het extraheren van de pseudowillekeurige ruiscodes en datacodes uit de satellietsignalen om vervolgens de positie, snelheid en tijd van de ontvanger (PVT) en andere navigatie-informatie te berekenen, het werkingsprincipe van de keramische antenne kan in twee delen worden onderverdeeld: het ene deel is de zendantenne en het andere deel is de ontvangstantenne.
Algemene antennes zijn omkeerbaar en kunnen tegelijkertijd als zendantenne en als ontvangstantenne worden gebruikt. Simpel gezegd zet de keramische antenne het hoogfrequente elektrische veld dat tussen de antenne en de aarde ontstaat, om in elektromagnetische golven via een elektrode die een “antenne” wordt genoemd, zodat deze kunnen worden uitgezonden en naar een verre bestemming worden overgebracht.
Simpel gezegd maakt de keramische ontvangstantenne gebruik van een elektrode, ook wel “antenne” genoemd, om elektromagnetische golven uit de lucht om te zetten in een elektrisch veld, een hoogfrequente signaalspanning te genereren en deze naar de ontvanger te sturen voor signaalverwerking.
Bij het ontwerp van de keramische antenne-eenheid wordt gebruikgemaakt van een hoogfrequente, ruisarme versterker om de invloed van de thermische ruis van de antenne en de schakelingen van de voorgaande eenheid op de prestaties van de ontvanger te verminderen. De functie van de keramische antenne is het omzetten van de elektromagnetische golfenergie van het radiosignaal dat door de satelliet wordt uitgezonden. Vervangende elektronische apparaten kunnen de gebruikte stroom absorberen, dus de afmetingen en vorm van de antenne zijn erg belangrijk, omdat deze bepalend zijn voor het vermogen van de keramische antenne om sterke elektromagnetische golfsignalen te ontvangen.
Een keramische antenne is een miniatuurantenne die geschikt is voor gebruik in Bluetooth-apparaten. De meest gebruikte keramische antennes in IoT-producten zijn GPS-, Bluetooth- en GSM-antennes.
Keramische antennes worden onderverdeeld in blokkeramische antennes en meerlaagse keramische antennes. Bij de blokantenne wordt het gehele keramische lichaam in één keer bij hoge temperatuur gesinterd, waarna het metalen deel van de antenne op het oppervlak van het keramische blok wordt gedrukt. Bij de meerlaagse antenne wordt een co-firing-methode bij lage temperatuur toegepast. De meerlaagse keramische lagen worden op elkaar gestapeld en uitgelijnd, en vervolgens bij hoge temperatuur gesinterd. Daardoor kan de metalen geleider van de antenne nauwkeurig op elke keramische diëlektrische laag worden aangebracht volgens de ontwerpvereisten. Op deze manier kan de omvang van de antenne effectief worden verkleind en kan de antenne onzichtbaar worden gemaakt.
Aangezien de diëlektrische constante van het keramiek zelf hoger is dan die van de printplaat, kan het gebruik van een keramische antenne de afmetingen van de antenne aanzienlijk verminderen. Wat het diëlektrische verlies betreft, is dat bij keramische materialen ook kleiner dan bij printplaten, waardoor het zeer geschikt is voor gebruik in Bluetooth-modules met een laag stroomverbruik.
De afmetingen van de keramische antenne zijn doorgaans 1210; de behuizing is geschikt en de prestaties zijn beter dan die van de ingebouwde antenne. Bovendien is ze handiger in het gebruik. Ze is meestal voorzien van ANT-aansluitpinnen en aardingspinnen. Bij het ontwerpen van de printplaat moet er voldoende vrije ruimte rondom de antenne zijn, en moet er speciaal op worden gelet dat er geen koper wordt aangebracht.
Tegelijkertijd moet u bij het gebruik van keramische antennes ook letten op de afstemming van het balun-circuit. Als er een speciale geïntegreerde schakeling wordt gebruikt, kunt u het beste de fabrikant de afstemming van het gebalanceerde circuit en de keramische antenne laten testen. Als de afstemming niet goed is, heeft dit ook invloed op de werking van de antenne.
De voordelen van keramische antennes zijn dat ze zeer weinig ruimte innemen en relatief goed presteren. Het nadeel is dat het moeilijk is om meerdere frequentiebanden te ondersteunen, waardoor ze moeilijk in 4G-producten kunnen worden toegepast. De eisen aan de ruimte tussen de printplaatcomponenten zijn relatief hoog, waardoor ze niet geschikt zijn voor bijzonder compacte producten.
(2) PCB-antenne
Met een PCB-antenne wordt het onderdeel op de printplaat bedoeld dat wordt gebruikt voor draadloze ontvangst en verzending.
Tijdens het zenden zet het de hoogfrequente stroom van de zender om in elektromagnetische golven in de ruimte.
Bij het ontvangen zet het de uit de ruimte ontvangen elektromagnetische golven om in hoogfrequente stroom en voert deze naar de ontvanger.
Bij het gebruik van een printplaatantenne moet u ook letten op de afstemming van het balun-circuit. Als er een speciale geïntegreerde schakeling wordt gebruikt, kunt u het beste de fabrikant vragen om de afstemming tussen het gebalanceerde circuit en de printplaatantenne te testen. Als de afstemming niet goed is, heeft dit ook invloed op de werking van de antenne.
Veel PCB-antennes worden gebruikt op printplaten van enkelbandmodules, zoals Bluetooth-modules, wifi-modules en Zigbee-modules.
De voordelen zijn dat het minder ruimte inneemt, goedkoop is, niet apart in elkaar gezet hoeft te worden en niet snel beschadigd raakt door aanraking. De hele machine is eenvoudig in elkaar te zetten, maar dit gaat ten koste van de prestaties.
Het nadeel is dat het veldpatroon van een enkele antenne moeilijk af te ronden is, het invoegverlies hoog is, het vermogen relatief laag is en de antenne gemakkelijk wordt gestoord door het moederbord; bovendien is deze antenne alleen geschikt voor één frequentieband, zoals Bluetooth en wifi; de prestaties van verschillende productieseries van PCB-antennes kunnen variëren.
(3) Externe antenne
De externe antenne wordt meestal aangesloten door middel van een directe lasverbinding op de antennepen (ANT), een IPEX-interface of een SMA-interface. De IPEX-antenne-interface en de SMA-antenne-interface zijn interfaces die worden gebruikt voor radiofrequentiecircuits en antennes, en worden op grote schaal toegepast op de printplaat van producten die verband houden met draadloos LAN.
Er zijn veel soorten externe antennes, zoals veerantennes, FPC-antennes, korte antennes met lijmstift, lange buigbare antennes, antennes met zuignap en andere externe antennes.
De voordelen van externe antennes zijn een betere veldregeling, een laag invoegverlies, een goede signaalrichting, een hoog vermogen en een sterke storingsbestendigheid, waardoor interferentie van het moederbord kan worden verminderd, en ze vereisen niet al te veel afstemming en aanpassing.
Als er een incompatibiliteit bestaat tussen het draadloze zend-ontvangstapparaat en de externe antenne, kan dit ook worden opgelost door de externe antenne rechtstreeks te vervangen zonder de printplaat te vervangen; het nadeel is dat dit duurder is en dat de montage meer werk kost.
Welke antenne is dan het beste? Laten we eens kijken naar de 2,4 GHz-antennekeuze voor IoT-apparaten.
2,4 GHz-antennekeuze voor IoT-apparaten
De keuze van een 2,4 GHz-antenne hangt af van de vereisten van uw toepassing en de ontwerpbeperkingen van het apparaat. :
- PCB-antennes zijn geschikt voor voordelige en compacte ontwerpen
- Keramische antennes bieden een goede balans tussen afmetingen en prestaties
- Externe antennes bieden de beste signaalsterkte en betrouwbaarheid
Over het algemeen zorgt de juiste keuze van een 2,4 GHz-antenne voor een betere signaalstabiliteit, een groter communicatiebereik en een grotere betrouwbaarheid.
