Ускорьте выход IoT-устройства на рынок, объединив антенны и модули Quectel

30 июля 2021

При создании IoT-устройств важно обеспечить согласованную работу IoT-модуля и антенны. Компания Quectel поставляет обе группы данных компонентов. Выбирая единого поставщика в лице Quectel, производитель IoT-устройств упрощает разработку, получает техническую поддержку, проверенные эталонные дизайны и сокращает время выхода продукции на рынок.

Популярность интернета вещей (IoT) продолжает набирать обороты, и уже миллиарды подобных систем развертываются по всему миру. Организации от ограниченных пилотных партий переходят к реализации гипермасштабных проектов, от которых зависит цифровое будущее бизнеса. Начальная стадия развития IoT, когда ошибки проектирования еще были допустимы, теперь завершена, и для многих компаний, использующих интернет вещей, ремонт сотен тысяч устройств в полевых условиях может оказаться очень накладным. Чтобы этого избежать, разработчик должен уделять достаточно внимания модулю передачи данных, выбирая подходящие для использования беспроводные стандарты, а также учитывать энергопотребление IoT-устройства в различных режимах работы.

Наряду с возможностями подключения и потреблением энергии, еще одной областью повышенного внимания должна быть антенна, так как ее работа существенно влияет на работоспособность всего устройства. Антенна – средство взаимодействия IoT-устройства со внешним миром посредством передачи и получения сигналов. Следовательно, это один из наиболее важных элементов всей системы. Однако установка антенн в устройства часто откладывается вплоть до самого завершения процесса разработки, что приводит к излишним компромиссам и не самому удачному расположению антенны. Этого можно избежать, если продумывать конструкцию антенны на ранних стадиях дизайна.

Встраиваемые и внешние антенны

Встраиваемые антенны, например, YCGO002AA производства Quectel (рисунок 1), располагают внутри IoT-устройств. Они сложнее в разработке, чем внешние, которые устанавливаются снаружи корпуса. Внешние антенны легче добавить уже после завершения разработки устройства практически без проблем с их интеграцией.

Рис 1. Встраиваемые антенны от Quectel: а) YCGO002AA L1/L5 GNSS на керамической накладке ; б) YG0021AA L1 GNSS

Внешние антенны, например, YG0028AA, обычно являются дипольными и не зависят от земли устройства, к которому подключены, что упрощает их использование (рисунок 2). Кроме того, вся электроника находится отдельно внутри корпуса, что снижает риск помех и проблем с электромагнитной совместимостью (ЭМС). Ограничения по размеру для внешней антенны не столь критичны. Также ей не требуется предусмотренная проектом техническая поддержка. Исключения встречаются нечасто: например, в США подобная продукция должна пройти сертификацию PTCRB и получить одобрение сети. В этом случае интегрированная встроенная продукция от единого производителя упростит прохождение предварительных испытаний на соответствие, так как участвовать будет всего одна компания.

Рис. 2. Внешние антенны производства Quectel: а) антенна YG0028AA L1\L5 GNSS на магнитном креплении ; б) антенна YE0032AA 2.4/5 ГГц Wi-Fi/BT

Несмотря на вышеперечисленные преимущества, у внешних антенн есть и недостатки, например, рынок IoT-устройств тяготеет ко встраиваемым антеннам из-за их небольшого размера и эстетических требований к устройствам. Встроенные антенны, как правило, представляют собой монопольную структуру, для ее работы требуется земляной полигон, в качестве которого обычно используется печатная плата изделия, определяющая важность размеров и компоновки антенны. Форм-фактор, стоимость и требования к установке IoT-изделий делают встраиваемые антенны более частым выбором производителя IoT-устройств, что влечет за собой необходимость учитывать место установки антенны на стадии разработки, а не добавлять ее пост-фактум. 

Распространенные ошибки при расположении антенны

Встроенные антенны – чувствительные компоненты, и их применение накладывает строгие ограничения в отношении того, как и где они расположены в устройстве. Это означает, что нужно тщательно и заблаговременно продумывать, где именно будет установлена антенна в каждом конкретном устройстве. Предпочтение должно отдаваться продукту подходящего размера, так как антенне должно быть выделено достаточное пространство внутри корпуса устройства.

Например, для антенны с частотой менее 1 ГГц для эффективной работы без использования сложных схем согласования импедансов нужна печатная монтажная плата длиной минимум 100 мм. Внутреннее пространство многих устройств само по себе ограничено, поэтому проектировщик должен провести комплексную работу, чтобы небольшое пространство, например, в самокатах, можно было максимально использовать для IoT-модуля, батареи и антенны, а также микроконтроллера и деталей для обеспечения других функций изделия (рисунок 3).

Рис. 3. Проектирование электросамоката должно обеспечивать компактное размещение всех компонентов

Другие факторы, которые необходимо учитывать при расположении антенны, включают в себя материал корпуса изделия, который может влиять на эффективность работы антенны. Толстый пластик и металл могут нарушать передачу и прием сигнала, и дизайнерам необходимо учитывать реакцию антенны на другие составные части устройства. Например, металл существенно мешает антенне работать в нужном диапазоне, и следует четко продумать расположение аккумулятора, ЖК-дисплея (LCD), коннекторов и других металлических изделий по отношению к антенне. 

Критерии выбора размещения

Часто разработчики не учитывают, каким образом и где будет использован продукт, а это очень важные факторы. Например, если продукт будет переносным, при его разработке необходимо учитывать то, что человеческая рука будет располагаться около центральной области устройства (рисунок 4). В этом случае антенну необходимо устанавливать на верхней или нижней части IoT-устройства. Кроме того, если портативное устройство имеет антенну для сотовой связи, которая устанавливается на корпус, то нужно помнить о предельной величине облучения пользователя (SAR). В случае с электросамокатом тело человека может создавать препятствие для работы антенны, поэтому нужно продумать и место установки.

Рис. 4. Для проектирования портативной электроники необходимо учитывать влияние излучения на человека

Также необходимо учитывать будущую установку устройства или ориентацию внешней антенны, например, если устройство будет установлено на металлической поверхности или в перевернутом положении. Эти проблемы оптимального положения антенны лучше всего решаются на стадии разработки.

Добавим к этому погодные условия и колебания температуры, которые тоже могут негативно сказаться на работе антенны.

Во время разработки учитывается также и географическое положение потенциальных пользователей. В каждой стране свои нормативы по применению антенн и требуется получение разных видов сертификатов и одобрений. К примеру, В США для соответствия нормативам требуется установка основной и разнесенной антенны на определенные виды LTE-устройств. 

Требования к производительности

Несмотря на то, что малое энергопотребление IoT-устройств является одной из приоритетных задач при их разработке, антенне необходимо уделять такое же внимание. Плохо продуманное расположение антенны приведет к быстрому разряду аккумулятора. В некоторых устройствах легко нарушить баланс установки деталей. Например, срок службы аккумулятора в умном счетчике рассчитана на приблизительно 20 лет работы. Антенна, неправильно расположенная в корпусе устройства, сократит срок его службы (рисунок 5). Пользователь столкнется с непредвиденными расходами и убытком.

Рис. 5. Неправильное расположение антенн в умных счетчиках приведет к сокращению срока службы аккумуляторов и частой их замене в течение срока службы устройства

Радиус действия беспроводной сети также является одной из основных задач, которые необходимо прорабатывать на стадии проектирования устройства, вместе с надежностью и продолжительным сроком службы. Радиус действия принципиально важен для IoT-устройств (рисунок 6). Мощная антенна, такая как YE0007AA производства Quectel – залог успешного подключения. 

Рис. 6. Внешняя антенна 5G LTE YE0007AA с креплением на выходной разъем

Легкость установки

Количество используемых IoT-устройств достигает миллиардов. Последствия возникновения любой сложности на этапе создания устройств интернета вещей стали гораздо ощутимее, по сравнению с тем периодом, когда объемы производства были меньше. Компаниям, выпускающим IoT-устройства, приходится выбирать между двумя видами антенн:

• антенн для поверхностного монтажа (SMD-антенн);
• антенн для установки на гибкой печатной плате (FPC-антенн).

Интеграция FPC-антенны на линии сборки занимает больше времени. Прокладка кабеля этих антенн требует осторожности, поскольку и кабель, и антенна излучают сигнал. Четкое следование выбранному пути прокладки кабеля обеспечит хорошие эксплуатационные характеристики. В качестве примера на рисунке 7 представлена антенна YF0011AA производства Quectel.

Рис. 7. FPC-антенна YF0011AA 2.4/5ГГц для установки на  гибкой печатной плате

Применение SMD-антенны, напротив, упрощает сборку и является более подходящим вариантом при производстве больших объемов продукции, так как антенна просто монтируется на печатную плату. На рисунке 8 представлена SMD-антенна YC0003AA.

Рис. 8. SMD-антенна YC0003AA 4G/LTE производства Quectel

Секреты успешной разработки

Если в самом начале уделить достаточно внимания дизайну устройства в целом и обеспечить беспроблемную интеграцию антенны в устройство, можно довольно легко избежать распространенных ошибок, которые совершаются во время разработки технических требований и дизайна антенны. Первый шаг, который должен сделать дизайнер – это следовать рекомендациям в технической документации. Не будем забывать, что важность подготовки нельзя переоценить — невозможно исправить плохо проведенную интеграцию.

Следующий шаг – провести тщательный обзор архитектуры и дизайна. Например, компания Quectel предлагает такой обзор в качестве услуги. Его выполняют опытные инженеры, и компания настоятельно рекомендует обзор 3D- и Gerber-файлов, так как выявление и устранение проблем на ранних этапах занимает гораздо меньше времени, чем подобная работа на месте эксплуатации.

Помимо обзора архитектуры, еще до начала проверки всей системы рекомендуется проверить указания по применению с помощью программы и специальных инструментов: режим работы устройства должен соответствовать выбранной антенне.

Такая тщательная оценка поможет выявить проблемы и справиться с ними до того как они по-настоящему повлияют на работу уже размещенных устройств. В этом случае опыт невозможно компенсировать ничем другим, и лучше искать поставщиков, у которых имеется возможность проводить научно-исследовательские работы и есть опытные инженеры технической поддержки. Это позволит принимать решения по расположению антенн более эффективно.

Рекомендации по разработке антенны:

• определить, где антенна будет размещена и установлена;
• разрабатывать дизайн с учетом типа и исполнения антенны;
• если будет задействовано несколько антенн, учесть расстояние между всеми антеннами, чтобы обеспечить их достаточную изоляцию друг от друга;
• SMD-антенну следует разместить как можно ближе к беспроводному модулю, чтобы сигнальная линия получилась минимальной и не собирала на себя шумы от остальной работающей части схемы;
• использовать копланарную линию с достаточным заземлением вдоль всей длины линии передачи;
• при использовании FPC с кабелем следует учитывать, что путь прокладки кабеля очень важен, так как он работает как часть антенны;
• обеспечить импеданс 50 Ом;
• после завершения разработки дизайна SMD-антенны удостовериться, что значение импеданса получилось равным 50 Ом.

Плюсы выбора единого поставщика

Как правило, разработка устройства включает в себя заказ компонентов у различных поставщиков и последующую их сборку в единое целое. Такой подход усложняет разработку и увеличивает временные затраты, потому что в процессе задействовано слишком много участников. Выбирая единого поставщика таких компонентов, как входной РЧ-интерфейс, антенна, беспроводной модуль и электрические соединения, компания упрощает весь процесс работы над созданием устройства.

Согласованная работа особенно важна для взаимодействия антенны и беспроводного модуля. Эти компоненты функционально тесно связаны между собой и подключены друг к другу физически. Заказывать их у одного и того же поставщика намного удобнее, так как компания знакома с обеими технологиями.

Еще одним преимуществом выбора универсального поставщика является то, что он должен предоставить дизайн-проект обоих компонентов. Такому поставщику проще предоставить техническое обслуживание и оказать помощь во время проектно-конструкторских работ, поделившись знаниями и информацией об основных этапах дизайна.

В процессе создания IoT-устройства на базе компонентов от одного поставщика есть и другие дополнительные положительные эффекты. Например, более низкие административные расходы при отправке обоих заказов на поставку. Это также укрепляет отношения поставщика с заказчиком, который оказывается в авангарде объединенных технологических разработок. 

Quectel помогает решить задачи проектирования

Компания Quectel имеет большой опыт работы по совмещению модулей и антенн. Специалисты компании полностью понимают трассировку радиочастотной части на плате. Ко всему этому можно добавить накопленную обширную базу знаний и обмен информацией о дизайне различных компонентов между рабочими командами. Quectel относится к объединенной разработке модулей и антенн как к жизненно важной услуге, предоставляемой разработчикам IoT-устройств. В компании работают региональные инженеры технической поддержки, которые специализируются на антеннах и модулях и вместе с клиентами работают над их оптимальным размещением в IoT-устройстве.

Разработчики антенн, команды по разработке и технической поддержке работают бок о бок с инженерами, которые занимаются модулями. У них есть надежная опора в виде новейшего испытательного оборудования и пассивных и активных безэховых камер. Quectel может предложить разнообразные услуги по инженерно-техническому обеспечению, от разработки архитектуры до согласования антенн (рисунок 9). Также у компании есть ресурсы для проведения предварительных испытаний на соответствие.

Рис. 9. Индивидуальное исполнение LDS-антенны YC0008AA

Время выхода на рынок IoT-устройств является определяющим фактором успеха или неудачи подобных проектов. комплексный подход Quectel к интеграции модулей и антенн очень привлекателен на рынке. Если говорить о расстановке приоритетов для компаний-разработчиков IoT, время выхода на рынок не менее важно, чем производительность беспроводных компонентов продукта в целом. Инженерно-техническое обеспечение всего входного радиоинтерфейса, предоставляемое одной компанией, является основной движущей силой, ускоряющей этот процесс.

Возможность иметь комбинированные модули для сотовой связи, сетей GNSS и WLAN, модули GNSS и WLAN со встроенными антеннами на борту, например, YB0006AA (рисунок 10) – ключевой шаг к зрелости конструкции устройства.

Рис. 10. Комбинированная антенна YB0006AA 7 в 1, 4×4 MIMO 5G, 2×2 MIMO Wi-Fi и GNSS

Модуль и антенна не могут работать друг без друга. Покупка этих компонентов у одного поставщика существенно упростит процесс разработки и ускорит выход продукта на рынок. Достойная линейка антенн, наличие региональных инженеров и разработчиков, а также лидирующие позиции среди производителей IoT-модулей позволяют компании Quectel делать уникальную работу, облегчая интеграцию антенн и модулей в устройства интернета вещей.

Оригинал статьи

Перевела Анна Конева по заказу АО КОМПЭЛ