Antenna open что это такое gps quectel

Начинаем работу с сотовым модулем MC60 от Quectel

Новый сотовый модуль MC60 производства компании Quectel с приемником GPS-GNSS поддерживает технологию открытого ПО OpenCPU, то есть на базе него, источника питания и GPS- и GNSS-антенн можно построить полноценный трекер для отслеживания координат транспортного средства. Как это сделать, описано в предлагаемой статье.

Компания Quectel Wireless Solutions в 2016 году выпустила новый сотовый модуль MC60, внешний вид которого приведен на рисунке 1, а основные особенности перечислены ниже:

• 4-диапазонный GSM-GPRS-модуль 850/900/1800/1900 МГц;
• подключение двух SIM-карт в режиме Dual SIM Single Standby;
• встроенный интерфейс Bluetooth версии 3.0;
• встроенный приемник GPS-GNSS (GPS/GLONASS/QZSS);
• поддержка технологии OpenCPU;
• размеры 18,7х16,0х2,1 мм.

Рис. 1. Внешний вид сотового модуля MC60 производства Quectel Wireless Solutions

Наличие в составе модуля приемника GPS-GNSS и поддержка технологии OpenCPU позволяют создавать простые устройства определения географических координат точки, в которой находится модуль MC60. То есть, можно создать, например, трекер, в котором будут только источник питания, модуль и две антенны, GSM и GNSS. Программа такого трекера пишется на языке Си и использует API OpenCPU модуля. Рассмотрим простой пример такой программы – «GPS-to-SMS». Эта программа была написана в учебных целях и может быть отнесена к примерам типа «Hello, World!». Она работает следующим образом: после подачи питания на модуль и его регистрации в сотовой сети программа включает приемник GPS-GNSS и далее ожидает поступления SMS на номер SIM-карты в модуле. После получения SMS программа сравнивает номер ее отправителя с номером, заданным в программе, и, при их совпадении, считывает с приемника GPS-GNSS строку с NMEA RMC-сообщением и отправляет ее в ответной SMS. Если номер не совпадает, то ответная SMS не отправляется, а просто продолжается цикл ожидания.

Текст программы:

Вначале, как обычно, подключаются необходимые заголовочные файлы. Файлы ril.h и ril_xxx.h, относятся к модулю Quectel OpenCPU RIL (Radio Interface Layer). Функции, реализованные в этом модуле – выполнение AT-команд, первичная обработка URC (Unsolicited Result Code), прием и отправка SMS, управление GPS-GNSS-приемником и другие. Особенностью модуля RIL является то, что он имеет открытый исходный код и позволяет пользователю добавлять собственные программные функции. Подключаемые файлы ql_stdlib.h и ql_trace.h необходимы для вывода отладочной информации в DEBUG UART-порт. Файл ql_error.h содержит все коды ошибок, возвращаемых API-функциями OpenCPU, а файл ql_system.h необходим для организации главного цикла программы.

В символьном массиве strPhoneNumber[] должен быть записан номер телефона, с которого будут отправляться входящие SMS.

Функция Hdlr_RecvNewSMS(u32 nIndex) вызывается при получении новой SMS, параметр nIndex передает в функцию порядковый номер принятой SMS. Содержимое принятой SMS cчитывается RIL-функцией RIL_SMS_ReadSMS_Text в переменную с указателем pTextInfo. Текст SMS никак не анализируется, из нее только извлекается номер отправителя в переменную aPhNum. Далее функция Ql_strstr(aPhNum, strPhoneNumber) производит сравнение телефонных номеров, и если они совпадают, то будет выполнена отправка SMS с NMEA RMC-строкой. Если номера не совпадают – SMS отправлена не будет, а в отладочный порт будет выведено сообщение о недопустимом номере: Ql_Debug_Trace(«Received SMS came from unknown phone number: %s\r\n», aPhNum).

Если будет осуществлена отправка SMS, то сначала производится считывание строки из приемника GPS-GNSS, для этого вызывается функция RIL_GPS_Read(item, rdBuff). Передаваемый параметр item определяет тип читаемой NMEA-строки, а rdBuff является указателем на буфер, в который будет помещена строка. Если параметру item присвоить значение «ALL», то будет считан целый кадр NMEA-сообщения. Для MC60 это:

Чтобы не усложнять программу, в ней не производится никакой обработки NMEA-сообщений, а просто читается одна строка, и ее содержимое передается в отправляемую SMS. Для этого параметру item присваивается значение «RMC».

Вот пример RMC-строки, которая читается из приемника, если сигнал со спутников еще не захвачен:

RMC означает минимальный рекомендованный набор данных GPS, он содержит UTC-время определения координат (065536.000), признак их валидности (A – валидны, V – невалидны), сами координаты (5543.5135,N,03739.1593,E), скорость (0.00) и направление движения (357.42), а также дату (280916). Параметр, который стоит непосредственно перед символом «*», показывает режим определения координат:

• «A» – автономный режим;
• «D» – дифференциальный режим;
• «N» – недостоверные данные.

Символ «*» означает конец данных, а «75» – это контрольная сумма. В начале и конце строки передаются еще символы «\r\n», то есть перевод строки и новая строка.

После того как строка RMC прочитана, она копируется в буфер текста отправляемой SMS: Ql_strncpy(sendBuff,rdBuff+13,sizeof(sendBuff)). Для уменьшения размера SMS начальные символы «\r\n+QGNSSRD: $» в буфер отправки не копируются, для этого к начальному значению адреса буфера RMC прибавляется число 13. Отправка SMS производится вызовом функции RIL_SMS_SendSMS_Text. В DEBUG-порт выводится сообщение об отправке и текст отправляемой SMS. Для этого два раза вызывается функция Ql_Debug_Trace.

Главная функция программы, proc_main_task(s32 iTaskID)

В начале главной функции в DEBUG-порт выводятся строки, свидетельствующие о старте программы, и создается структура taskMsg, в которую будут передаваться системные сообщения по мере их возникновения. Далее организуется цикл выборки сообщений и их обработка. Здесь можно отметить, что Quectel OpenCPU является многозадачной системой реального времени, в которой может исполняться одна главная задача и до 10 субзадач. Для каждой задачи в программе должна быть создана своя структура типа ST_MSG и организован свой цикл выборки сообщений. Программа «GPS-to-SMS» – однозадачная, и в ней только один такой цикл. В самом начале цикла производится обнуление всех полей стандартной структуры ST_MSG, а затем вызывается функция, осуществляющая выборку (считывание) сообщения из очереди сообщений: Ql_OS_GetMessage(&taskMsg).

Первым в цикле проверяется сообщение о готовности модуля RIL, это MSG_ID_RIL_READY. Если такое сообщение появилось, то вызывается функция инициализации модуля – Ql_RIL_Initialize(). Только после инициализации RIL программа может использовать RIL API-функции, и в данном случае программа вызывает функцию RIL_GPS_Open(1), которая включает питание GPS-GNSS-приемника.

Далее в цикле проверяется системное сообщение MSG_ID_URC_INDICATION, оно появляется при получении URC. Если имеется такое системное сообщение, далее тестируется поле param1 структуры taskMsg, которое определяет тип полученного URC. В модуле MC60 может быть множество URC-сообщений. Те из них, которые обрабатываются модулем RIL, перечислены в файле ril.h. В поле param2 структуры taskMsg содержатся дополнительные параметры для пришедшего URC. В цикле нашей программы проверяется приход только двух типов URC, это URC_SYS_INIT_STATE_IND и URC_NEW_SMS_IND.

URC-сообщение URC_SYS_INIT_STATE_IND генерируется в момент инициализации MC60 при его включении или перезагрузке. Если при этом параметр param2 структуры taskMsg равен SYS_STATE_SMSOK, это означает, что модуль MC60 зарегистрировался в сети и готов к приему и отправке SMS. Для исключения ситуации с переполнением памяти SMS в программе вызывается функция удаления всех SMS, принятых ранее: RIL_SMS_DeleteSMS.

URC-сообщение URC_NEW_SMS_IND генерируется при получении новой SMS. Параметр param2 структуры taskMsg при этом содержит номер (индекс) принятой SMS, по которому производится ее чтение. Программа вызывает функцию-обработчик Hdlr_RecvNewSMS(taskMsg.param2), которая выполняет все необходимые действия – читает пришедшую SMS, читает RMC-строку из приемника GPS-GNSS и отправляет ответ. После возврата из функции-обработчика опять же вызывается функция удаления SMS.

Примечания

Впрограмме никак не обрабатываются коды ошибок, которые возвращают почти все API-функции OpenCPU. Это сделано для упрощения программы и уменьшения ее текста. В программе не используются режимы энергосбережения приемника GPS-GNSS и трансивера GSM, и средний ток потребления достигает 95 мА при проверке с использованием фирменного отладочного комплекта Quectel GSMEVB-KIT и активной антенны GPS-GLONASS из Quectel MC60-TE-A Kit.

ДОБРО ПОЖАЛОВАТЬ В КЛУБ №1 ПО ТЕМЕ LAND ROVER

dogset

Просмотр профиля

Группа: Член Клуба (100)
Сообщений: 113
Регистрация: 28.3.2012
Из: Москва и Люберцы
Пользователь №: 39 802
Номер машины:
462

Марка машины:
LR3/DISCOVERY 3

Пролистал форум, но по делу ничего не нашел.

У меня на Discovery 3 (2008 г.) штатная навигация не находит спутники. Горт перечеркнутый значок GPS. Ошибка B1A8913 — GPS antenna open. Расшифровывается как высокое сопротивление и неисправность антенны.
Вопросы:
1. Где всё-таки находится антенна? ( под крышей в багажнике или в задней двери за стопом?). Плавника на крыше нет, только заглушка. Я так понимаю плавник с 2008г. не ставят.
2. Как добраться до антенны, чтобы посмотреть контакты? ( как я понял может открутиться масса или окислиться контакт, замерить сопротивление).

Может кто знает как добраться до антенны GPS. Если она в двери багажника, как написано в ремонтном мануале, то обязательно ли снимать задний стоп? Он на герметике, потом его надо опять как-то ставить.
Помогите советом. Руки есть и добраться смогу.

luka-jr

Новая маркетинговая политика Quectel: беспроводные модули в комплекте с антеннами.
Часть 2

Основные конструктивные особенности антенн 2G/3G/4G

В комментариях к продукции Quectel отмечается, что фирма вместе со своими модулями беспроводной связи для работы в сетях 2G/3G/4G поставляет следующие типы антенн [2]:

• PCB Antennas (Printed circuit board) — антенны на печатных платах;
• FPC (flexible printed circuits) — гибкие антенны на печатных платах;
• жестко-гибкие антенны на печатных платах — Rigid Flex PCB;
• IFA/PIFA Antenna (IFA — inverted F antenna) — инверсная F-образная антенна;
• External Rubber antennas — внешние короткие спиральные антенны в резиновом или синтетическом корпусе;
• Metal-Frame Antennas — антенны, в которых элементы корпуса устройства используются как составляющие активного элемента;
• Waterproof Antenna — внешние штыревые антенны в пылевлагозащитном исполнении;
• Chip Antennas — чип-антенны;
• Patch Antenna — микрополосковая патч-антенна;
• Spiral Ceramic Antenna — спиральная керамическая антенна;
• Surface Mount Device (SMD) — антенны для монтажа на поверхность печатной платы;
• Laser Direct Structure Antenna — технология создания проводящей структуры антенны в модифицированных пластиках.

В статье кратко охарактеризованы указанные антенны. Следует особо подчеркнуть, что в полной технической документации на антенны (Antenna Datasheet), а также в каталоге своей продукции (Quectel Antenna Portfolio, 2020 и 2019) [3, 4] и информационном документе [5] компания указывает не для всех моделей точное наименование типа антенны, которое совпадает с руководством [2].

Кроме того, в некоторых публикациях Quectel отмечаются модели, на которые нет подробной технической документации (data sheet) в свободном доступе, например, модель YCGO002AA упоминается лишь в рекламных буклетах [6].

Есть и другие аналогичные примеры. Поэтому ниже в статье ссылки на конкретную модель Quectel при описании типов антенн будут приведены только для тех моделей, на которые автору удалось обнаружить техническую документацию в открытом доступе. Следует также учитывать, что в Интернете можно найти различные документы Quectel, в которых одни те же антенны отнесены к разным классам. Подтверждением этому служат, например, документы «Quectel Antenna Design Note», которые можно скачать в редакциях 2016, 2018 и 2019 гг.

Антенны на печатных платах

Антенны на печатных платах (PCB — Printed circuit board) разработаны около 50 лет назад и используются в самых разных беспроводных устройствах — от детских игрушек до военного оборудования.

На рис. 1 показана встраиваемая антенна Quectel YF0007AA, изготовленная с использованием технологии PCB. Эта модель, предназначенная для размещения внутри корпуса устройства, оснащена кабелем с разъемом U.FL для подключения к модулю Quectel.

Рис. 1. Встраиваемая антенна 2/3/4G Quectel YF0007AA, изготовленная с использованием технологии PCB [7]

С развитием технологий появилось несколько новых модификаций антенн на печатных платах (АПП), таких, например, как Multi-layers PCB (многослойные АПП), Flexible PCB — FPC (гибкие АПП), Rigid-Flex PCB — гибко-жесткие АПП, Ceramic PCB (керамические АПП), Assembly — PCBA (комбинированные АПП).

Антенны FPC PCB

Антенны FPC PCB представляют собой гибкую пластину из полимерного материала, в которую впрессованы проволочные активные элементы и подводящие цепи антенны.

Такие антенны, характеризующиеся небольшими габаритными размерами и малым весом, могут изгибаться без повреждения проводника. В качестве подложки используются полимерные материалы с низкой диэлектрической проницаемостью и высокой температурой плавления — такие, например, как ПЭТ.

На рис. 2 показана FPC-антенна YF0006AA, которую Quectel предлагает в комплекте со своими LTE-модулями.

Рис. 2. Антенна 2/3/4 G Quectel YF0006AA на гибкой печатной плате [8]

Жестко-гибкие антенны

Жестко-гибкие (Rigid-Flex PCB) — это название получили антенны, состоящие из жестких печатных плат, соединенных между собой гибкими печатными платами. Обычно антенны такой конструкции используются в сложных устройствах, рассчитанных на работу в нескольких частотных диапазонах.

Базовые технические характеристики встраиваемых 2G/3G/4G/5G-антенн из каталога Quectel, в которых использованы технологии PCB/FPC, приведены в таблице 1 [4]. Характерные особенности других 5G-антенн рассмотрены в опубликованной ранее первой части статьи.

Наименование

Частотный диапазон, МГц

600–960; 1427,9–1495,9; 1710–2170; 2300–2700

Технология антенны

Пиковое значение усиления, дБи

Коэффициент стоячей волны
по напряжению, VSWR

Средняя эффективность

1710–2690 МГц: 60%

1710–2690 МГц: 60%

1710–2690 МГц: 60%

1710–2690 МГц: 50%

1710–2690 МГц: 50%

3300–5900 МГц: 50%

3300–6000 МГц: 50%

Область применения

Разъем на кабеле

Импеданс, Ом

Габаритные размеры, мм

Оптимальный вариант использования
с модулями Quectel

LTE-A/LPWA/
LTE-Standard/GSM/GPRS/Wi-Fi/Smart Module

LTE-A/LPWA/
LTE-Standard/GSM/GPRS/Wi-Fi/Smart Modul

LTE-A/LPWA/
LTE-Standard/GSM/GPRS/Wi-Fi/Smart Module

На рис. 3 показана внешняя Quectel LTE-антенна YE0010AA, разработанная с использованием технологии PCB. Антенна, предназначенная для наружного применения, крепится с помощью липкого слоя. К корпусу устройства антенна подсоединяется кабелем с разъемом SMA.

Рис. 3. Внешняя LTE Quectel PCB-антенна YE0010AA с кабелем и разъемом SMA [9]

В таблице 2 приведены основные технические характеристики Quectel 2G/3G/4G внешних антенн с технологией PCB/FPC и кабелем с разъемом SMA.

Наименование

Частотный диапазон, МГц

Технология антенны

Пиковое значение усиления, дБи

Коэффициент стоячей волны по напряжению, VSWR

Средняя эффективность

1710–2700 МГц: 50%

1710–2690 МГц: 50%

1710–2690 МГц: 50%

Область применения

Разъем

SMA Male (with center pin)

SMA Male (with center pin)

SMA Male (with center pin)

Крепление разъема

Импеданс, Ом

Габаритные размеры, мм

Оптимальный вариант использования с модулями Quectel

Планарные инверсные F-образные антенны

Планарные инверсные F-образные антенны (planar inverted-F antenna (PIFA), одна из разновидностей IFA-антенн, в настоящее время являются одной из наиболее распространенных конструкций в мобильных беспроводных устройствах.

Классический тип конструкции «инверсная F-образная антенна» (IFA — inverted F-antenna) представляет собой несимметричную антенну, параллельную заземленной поверхности. Название антенны говорит о том, что ее активный элемент выполнен в виде латинской буквы F. Основные преимущества данной конструкции — компактность и возможность варьировать импеданс без использования дополнительных согласующих компонентов.

Различные варианты конструкций PIFA могут включать связанные резонаторы и дополнительные пазы, позволяющие создавать широкополосные и многодиапазонные антенны, предназначенные для использования в разных диапазонах беспроводных технологий.

В приложениях для широкополосной связи применяются модифицированные конструкции с промежуточной точкой, закороченной на плоскость заземления. Как правило, подобные антенны изготавливаются в виде отдельной платы с диэлектриком, обеспечивающим необходимые для данного диапазона характеристики.

Популярность этого типа антенн связана, прежде всего, с широкой полосой рабочих частот (больше 10% от резонансной несущей), высоким отношением излучаемой мощности к подводимой (около 70%), небольшими габаритными размерами, относительно простой технологией изготовления и низкой стоимостью. Кроме того, современные PIFA-антенны имеют достаточно высокие коэффициенты усиления как в вертикальной, так и в горизонтальной плоскости поляризации.

На рис. 4 показана упрощенная схема 2-диапа­зон­ной PIFA-антенны для диапазонов LTE.

Рис. 4. Упрощенная схема PIFA-антенны [10]

Параметры PIFA-антенн зависят от размеров и конфигурации верхней рабочей пластины, соотношения длин ее сторон, размеров и положения заземляющих площадок и стержней, линии питания, а также от параметров диэлектрического разделяющего изолятора. Резонансная частота антенны PIFA определяется в основном конфигурацией и размерами горизонтальной рабочей пластины. На ширину полосы пропускания антенн PIFA влияют также параметры вертикальной закорачивающей пластины. Важную роль играют характеристики заземленной подложки. При увеличении ее размеров относительная ширина полосы рабочих частот тоже увеличивается.

Кроме того, протяженный экран препятствует распространению радиоволн в нежелательных направлениях. В ряде случаев применяются дополнительные заземленные экраны, выполняющие роль емкостных нагрузок, позволяющих использовать более низкие резонансные частоты. Более сложные конструкции PIFA, имеющие несколько резонансных областей, обеспечивают работу одновременно в четырех-пяти диапазонах.

Встраиваемые PIFA-антенны используются в самых различных устройствах 2G/3G/4G. В качестве примера на рис. 5 показан отладочный GSM/GPRS M95 Easy со встроенной PIFA-антенной, рассчитанной на диапазоны частот GSM 850, GSM 900, DCS 1800 и PCS 1900 МГц.

Рис. 5. Отладочный комплект с модулем Quelcom M95 и встроенной PIFA-антенной [11]

В отладочном комплекте M95 easy антенна PIFA для поверхностного монтажа (SMD) размещена в левом верхнем углу платы в соответствии с требованиями топологии, предъявляемыми к этому классу.

Так, в руководстве [12] рекомендуется сохранять расстояние не менее 5 мм между PIFA-антенной и основной платой. Необходимо размещать под антенной заземляющую металлизированную площадку с размерами, приведенными в технической документации производителя. Для 4-диапазонной антенны площадь заземляющей площадки не должна быть меньше 600 мм 2 .

В настоящее время PIFA-антенны позволяют работать в сетях с разными частотными диапазонами. Такие антенны имеют сложные конструкции, в которых используются закорачивающие площадки и параллельные бороздки различной длины, вырезанные в горизонтальной рабочей поверхности.

Разрезы на рабочей горизонтальной пластине фактически разделяют ее на независимые сегменты с собственными развязанными резонансными частотами, которые можно варьировать с помощью конфигурирования параметров прорезей.

Современные методы проектирования, использующие компьютерное моделирование, позволяют подбирать оптимальные варианты геометрии PIFA-антенн с самыми необычными объемными структурами [13].

Широкое распространение получили керамические PIFA-антенны для сетей LTE. Как правило, это SMD-антенны размерами несколько сантиметров [14].

В качестве примера нетривиальной комбинированной конструкции можно привести антенну Quectel YF0002AA. Антенна размещена в мощном корпусе из пластика ABS с габаритными размерами 60×12×10 мм. Она имеет три контактные площадки, как, например, у антенн PIFA, а также отверстия для крепления антенны болтами к плате. У антенны три модификации для разных частотных диапазонов. Модель YF0002-700-6G-1/700-6G-2 предназначена для работы в сетях 5/4/3/2G в интервале частот 700–6000 МГц. Антенна имеет достаточно хорошие параметры: пиковое значение усиления 4,2 дБи, VSWR ≥ 1 при средней эффективности 30% [15].

К разряду PIFA-антенн можно отнести также модели серии Metal Frame Antennas, в которых металлические части конструкции корпуса играют роль части активного элемента антенны.

Антенны External Rubber

Антенны External Rubber — обобщенное название антенн, которое объединяет целый класс внешних коротких антенн в резиновом или пластиковом корпусе. Нужно обратить внимание на то, что в предыдущем варианте каталога антенн Quelcom (March, 2020) был обозначен только один класс антенн под названием Rubber Duck Antenna [4].

В последнем варианте каталога антенн Quelcom (November 2020) [3] антенны Sleeve antennas (внешние антенны в пластиковом корпусе с шарнирным разъемом) и Rubber Duck объединены в общий класс External Rubber. Благодаря своей компактности и универсальности эти антенны успешно используются в беспроводных 2G/3G/4G-устройствах.

Классический вариант Rubber Duck представляет собой короткую четвертьволновую несимметричную штыревую антенну с нагрузочной индуктивной катушкой. Как правило, антенны rubber изготовлены в виде проволочной спирали, которая размещена в резиновой или пластиковой герметичной оболочке. Более подробно об этом типе антенн было сказано в первой части статьи.

Кроме антенн со спиральным активным элементом, в плоском пластиковом корпусе с внешним разъемом могут быть размещены антенны, изготовленные с использованием технологий PCB, FCB или PIFA. Антенны с внешним шарнирным разъемом (Sleeave antennas) с линейной диаграммой направленности дают возможность выбора наилучшего положения в пространстве (рис. 6).

Рис. 6. Внешняя LTE-антенна Quectel YGL001AA с шарнирным разъемом SMA [16]

В таблице 3 приведены технические характеристики внешних 2G/3G/4G-антенн Quectel External Rubber с разъемами SMA. Параметры 5G и NB-IoT приведены в первой части статьи.

Наименование

Частотный диапазон, МГц

Технология антенны

Пиковое значение усиления, дБи

Коэффициент стоячей волны по напряжению, VSWR

Средняя эффективность

1710–2700 МГц: 70%

1710–2690 МГц: 50%

1710–2690 МГц: 50%

1710–2690 МГц: 60%

Область применения

Cellular LTE 4G/3G/2G

Cellular LTE 4G/3G/2G

Cellular LTE 4G/3G/2G

Cellular LTE 4G/3G/2G

Cellular LTE 4G/3G/2G

Импеданс, Ом

Разъем на корпусе антенны

SMA, жесткое крепление

SMA, шарнирное крепление

SMA, шарнирное крепление

SMA, шарнирное крепление

SMA, шарнирное крепление

Конструктив
и габаритные размеры, мм

Цилиндр L 208; D12

Оптимальный вариант использования
с модулями Quectel

LTE-A/LPWA/
LTE-Standard/GSM/GPRS/Wi-Fi/Smart Module

LTE-A/LPWA/
LTE-Standard/GSM/GPRS/Wi-Fi/
Smart Module

LTE-A/LPWA/
LTE-Standard/GSM/GPRS/Wi-Fi/Smart Module

LTE-A/LPWA/
LTE-Standard/GSM/GPRS/Wi-Fi/Smart Module

LTE-A/LPWA/
LTE-Standard/GSM/GPRS/Wi-Fi/Smart Module

Антенны LDS

Технология (Laser direct structuring — LDS) позволяет создавать с помощью лазера проводящие каналы в специальных типах модифицированных полимеров. Антенны LDS изготавливаются по индивидуальным заказам. Эта технология дает возможность конструировать уникальные типы антенн практически в любой геометрии. Например, антенна может быть полностью выполнена в форме корпуса устройства. На первом этапе проектирования таких антенн задается объемная форма будущей антенны. При этом конструкторские фантазии разработчика ничем не ограничиваются. Затем форма оцифровывается с помощью специального программного обеспечения. На следующем этапе задаются параметры активного элемента антенны, обеспечивающие необходимые резонансные частоты, поляризацию, усиление, КСВ и т. д. Таким образом создается математическая модель металлических провод­ников антенны.

В качестве изоляционной основы антенны используются пластики типа LCP, PA 6/6T, PBT/PET, XHP и другие, которые модифицируются с помощью специальной проприетарной технологии [17].

Необходимая форма антенны создается с использованием технологии однокомпонентного литья под давлением. На следующем этапе с помощью лазера прорисовывается модельная структура активного элемента антенны, ранее записанная в памяти управляющего компьютера. Под действием лазерного луча термопластический материал активируется. В результате физико-химической реакции в структуре модифицированного пластика образуются шероховатые каналы с молекулярными центрами, которые будут надежно удерживать металлизацию. На завершающей стадии технологии LDS выполняется нанесение металлических проводников электрохимическим способом. В этом процессе также могут применяться специальные покрытия — такие, например, как Sn, Ag, Pd/Au и другие.

Технология LDS позволяет также создавать сложные трехмерные структуры путем спекания слоев с разными типами антенн.

На рис. 7 показан общий вид антенны Quectel YC0008AA, разработанной по технологии LDS.

Рис. 7. LDS-антенна Quectel YC0008AA для поверхностного монтажа [5, 18]

Антенна YC0008AA выполнена в конструктиве для поверхностного монтажа SMD с пятью контактными площадками (две площадки для питания антенны, три — крепление к плате). В качестве модифицированного изолятора использован полимер XHP-1002 [19].

Эта антенна с линейной поляризацией предназначена для работы на частотах GPS — L1 1575 и L5 1173 МГц. Усиление антенны не менее 2 дБи. Коэффициент стоячей волны по напряжению (VSWR) ≤ 2,5. Габаритные размеры: 30×5×5 мм.

Выносные штыревые антенны

Выносные штыревые антенны (Waterproof Antenna) представляют собой в общем случае несимметричный вибратор. Эти пылевлагозащищенные антенны с высоким коэффициентом усиления используются для приема слабых сигналов.

Поскольку диаграмма направленности штыревой антенны выглядит как две симметричные антенне полусферы, коэффициент направленного действия у нее в два раза больше и вся мощность излучается в более узком направлении. Благодаря линейной поляризации и узкой диаграмме направленности такие антенны хорошо работают в условиях многократно переотраженного сигнала, а также в условиях частичного экранирования сигнала. В каталоге Quectel предлагается два типа антенн Waterproof — кабель с разъемом и жестко закрепленный разъем на корпусе.

Штыревые выносные антенны часто можно видеть на торговых и платежных терминалах с беспроводной связью. Например, антенна YXH001AA оснащена кабелем с разъемом SMA и магнитным держателем. Она предназначена для частотного диапазона 700–2700 МГц, имеет коэффициент усиления не менее 3 дБи и VSWR ≤ 2. Высота антенны 32 см, что характерно для такого типа устройств. Следует обратить внимание на то, что в предыдущем варианте каталога Quelcom эти антенны были размещены под общим названием Sucker Antennas. В антенне YFS001 разъем Type-N male жестко закреплен на корпусе. Антенна предназначена для сетей 5G/4G/3G/2G в частотных диапазонах 700–960, 1710–2700, 3300–3800 и 4400–5000 МГц, имеет усиление 3 дБи и VSWR ≤4,5. Длина антенны 300 мм, диаметр 22,6 мм.

Более подробную информацию о типах и конструкциях выносных антенн для мобильных приложений можно найти, например, на сайте [20].

Чип-антенны

Чип-антенна (Chip Antennas) конструктивно представляет собой объемный резонатор, в котором полость между проводящими поверхностями заполнена керамическим сердечником. В простейшем случае схема чип-антенны напоминает конденсатор, где две параллельные металлические пластины расположены по обе стороны керамического изолятора. Под действием радиоволн определенной частоты в такой антенне создается стоячая волна. Поэтому часто их называют антеннами на базе диэлектрических резонаторов (dielectric resonator antenna — DRA). Такие чип-антенны имеют свойства, аналогичные стандартным дипольным антеннам, — например, вертикальную ориентацию диаграммы направленности [21].

К классу чип-антенн относят и керамические антенны в конструктиве монополя с незамкнутым проводником длиной 1/4 длины волны [22].

Высокая диэлектрическая проницаемость современных материалов позволяет конструировать самые маленькие чип-антенны для беспроводной связи. Так, в статье [23] рассмотрена чип-антенна с размерами всего 1,5×3,2 мм.

В основном при производстве чип-антенн используется низкотемпературная керамика (Low Temperature Co-fired Ceramics — LTCC), позволяющая внедрять в конструкцию металлизированные элементы с малым удельным сопротивлением на основе паст, содержащих золото, серебро и медь.

В классическом варианте чип-антенна, размещенная на плате, включает следующие элементы (рис. 8):

Рис. 8. Чип-антенна должна быть размещена на металлизированной плате при соблюдении рекомендованных размеров и топологии [24]

• заземленную металлическую пластину (Ground);
• антенный чип (Chip Antenna);
• площадку под чипом, с которой удалена металлизация (Ground Clearance),
• цепь питания (Feed Line);
• согласующие цепи (Matching circuit).

Эффективность, поляризация и усиление чип-антенны зависят от параметров заземляющей плоскости, а также от различных окружающих объектов, искажающих поле этой плоскости.

Современные чип-антенны имеют самые разнообразные комбинированные структуры токопроводящих элементов конструкции (активный элемент), которые обычно защищены патентами и далеко не полностью раскрываются изготовителями в сопроводительной технической документации.

Практически все керамические чип-антенны изготавливаются в конструктиве для поверхностного монтажа (SMD). Дополнительную информацию о разнообразных конструкциях чип-антенн можно найти в публикациях [25, 26].

В последние годы можно наблюдать, как в конструкциях керамических антенн для беспроводной связи все больше используются различные гибридные технологии, сочетающие черты chip-, patch-, PIFA-антенн. Возможно, эта тенденция наряду с желанием не афишировать существенные отличительные детали конструкции, составляющие коммерческую тайну, вынуждает разработчиков не указывать конкретный технологический тип антенны. В основном информацию о своих керамических антеннах фирмы-изготовители размещают в каталогах в разделе компонентов для поверхностного монтажа. Поэтому иногда возникают разногласия в трактовке терминов: в частности, некорректно чип-антенны называть SMD-антеннами.

Антенны SMD

Антенны Surface Mount Device (SMD) предназначены для монтажа на поверхность печатной платы. Самой общей отличительной чертой SMD-компонентов является наличие на их корпусе выводов, с помощью которых они припаиваются к контактным площадкам на печатной плате. В этом коренное отличие всего класса компонентов SMD от технологии монтажа компонентов в отверстия (THT — Throuth Hole Technology). В общий класс электронных компонентов SMD могут входить как чип-резисторы, чип-конденсаторы, чип-дроссели, чип-антенны, устройства конструктивов PCB, PIFA, так и сложные устройства, в том числе законченные электронные микросхемы.

В последнем каталоге Quectel представлены две мощные антенны, разработанные в конструктиве для поверхностного монтажа SMD, — YC0001AA и YC0003AA.

Антенна YC0003AA предназначена для диапазонов частот 698–960, 1695–2200 и 2300–2700 МГц. Эта антенна отличается большими значениями усиления, не меньше 5,5, при VSWR< 3. Габаритные размеры YC0003AA составляют 40×7×3 мм.

Внешний вид антенны Quectel YC0003AA показан на рис. 9. Антенна имеет четыре контактные площадки — две для пайки на печатную плату и две для подключения вч-тракта.

Рис. 9. Внешний вид SMD LTE-антенны Quectel YC0003AA [27]

Антенна SMD Quectel YC0001AA рассчитана на работу в диапазонах частот 698–960, 1710–2690 МГц в сетях 2/3/4G. Она отличается хорошей избирательностью и эффективностью. Габаритные размеры YC0001AA — 35×8,5×3 мм.

В таблице 4 приведены значения VSWR, эффективности и усиления для основных рабочих диапазонов антенны YC0001AA [28].

GPS-антенна: описание, назначение, характеристики

GPS-антенна – это один из важнейших элементов беспроводной инфраструктуры. От верного выбора и правильной эксплуатации упомянутых устройств зависит работоспособность всей системы, поскольку они определяют максимальную дальность работы приборов, пропускную способность каналов связи и т.д.

Неверно смонтированная GPS-антенна при благоприятных погодных условиях способна обеспечивать довольно сносную связь, но во время дождя или снегопада будет давать сбои либо же вообще перестанет работать. Несмотря на кажущуюся простоту, проектирование антенн иногда требует больше сил и средств, чем создание сложных электронных устройств.

Классификация GPS-антенн довольно короткая. Они бывают:

• активными и пассивными;
• внешними и монтируемыми на плату устройства (по типу монтажа).

На сегодняшний день предлагается огромный выбор антенн, но не стоит забывать, что каким бы надежным и мощным ни было устройство, если с ним используется некачественная GPS-антенна, то технические характеристики данной системы будут далеки от заявленных. Работа такого прибора не принесет пользователю ожидаемого результата.

Активная GPS-антенна представляет собой стандартную пассивную модель со встроенным усилителем. Такие устройства используют в GPS-приемниках, в которых отсутствуют внутренние аппараты, в таком случае на корпус прибора выводится разъем для внешней антенны. Активные устройства превосходят пассивные экземпляры в чувствительности, они повышают соотношение уровня сигнала к уровню шума, снижают влияние каких бы то ни было помех. Сигнал от пассивных антенн сильно подвержен воздействию электромагнитного излучения, и как следствие, доходит до приемника в искаженном и ослабленном состоянии. Сигнал активных устройств отличается гораздо большей амплитудой, нежели у пассивных. К выбору GPS-антенны следует подходить индивидуально, принимая во внимание тип приемника, ведь некоторые приборы уже могут содержать встроенный антенный усилитель.

Производители GPS-антенн предлагают широкий выбор внешних и внутренних антенн. Они отличаются по напряжению питания (3-5В), имеют кроме усилителей сигнала и полосовые фильтры, которые вырезают посторонние сигналы вне пределов требуемого диапазона частоты. GPS-антенна (автомобильная) работает на частоте 1575,42±3 МГц. С учетом полосового фильтра ширина пропускаемой полосы составляет 10 МГц. Среднее значение коэффициента усиления антенн составляет 4 дБ, рассеиваемая мощность 1 Вт. Такие устройства в состоянии обеспечивать надежную работу в температурном режиме от -40 до +100 градусов по Цельсию при относительной влажности воздуха 100 процентов. Антенны комплектуются различными типами кабелей, с разными видами разъемов, что позволяет использовать их с любыми типами приемных устройств. Длина кабеля может достигать пяти метров, из-за чего заметно упрощается установка GPS-антенны.

Подведя итог, отметим, что современные устройства оптимизированы по различным критериям решений, таким как высокие коэффициенты усилений, низкое энергопотребление, малая цена, малые габаритные размеры.