IoT-шлюз редко передает данные только через один радиомодуль.
Современный промышленный шлюз может подключать локальные устройства через LoRa, WiFi, Bluetooth, Zigbee или другую сеть малого радиуса действия, используя сотовую связь или Ethernet в качестве транспортной сети. Некоторые продукты также включают GNSS для определения местоположения, синхронизации времени, управления установкой или отслеживания активов.
В результате в одном корпусе может оказаться устройство с четырьмя, шестью или даже большим числом радиочастотных трактов.
Задача уже не сводится к выбору одной антенны.
Речь идет о проектировании антенной системы IoT-шлюза в которой несколько антенн могут работать вместе без чрезмерных помех, расстройки антенн, механических конфликтов и разброса характеристик при производстве.
Типовой шлюз может включать:
LoRa + WiFi + Bluetooth + MIMO сотовой связи + GNSS
Каждая антенна решает отдельную задачу связи.
Их нельзя просто размещать там, где осталось свободное место.
Начните с карты радиоархитектуры
До начала механического проектирования составьте таблицу всех радиочастотных систем.
Для каждого радиомодуля укажите:
- рабочая частота;
- функция передачи и приёма;
- количество радиочастотных портов;
- требования к MIMO;
- ожидаемый рабочий цикл;
- требуемый тип антенны;
- предпочтение внутренней или внешней антенны;
- требования к кабелям и разъёмам.
Шлюз с LTE/5G и MIMO 2×2 уже требует как минимум двух сотовых радиочастотных трактов.
Двухдиапазонная система WiFi MIMO может потребовать двух или более дополнительных антенн.
LoRa может добавить ещё одну антенну.
GNSS может добавить ещё одну.
Bluetooth может совместно использовать часть радиочастотной архитектуры WiFi в некоторых аппаратных решениях или использовать отдельный тракт в зависимости от чипсета и архитектуры изделия.
Точное количество должно определяться при проектировании радиочасти, а не проектировщиком корпуса.
Почему мультирадио IoT-шлюзы сложны
Каждая антенна создаёт электромагнитное поле.
Когда несколько антенн размещаются в одном изделии, они могут взаимодействовать.
Возможные проблемы:
- плохая развязка;
- взаимное влияние;
- сдвиг резонанса;
- искажение диаграммы направленности;
- десенсибилизация приемника;
- кабельное соединение;
- нестабильная работа после сборки.
Само устройство также содержит цифровую и силовую электронику.
Импульсные стабилизаторы, процессоры, интерфейсы дисплея, схемы Ethernet, USB, высокоскоростные тактовые генераторы, шины памяти, преобразователи DC/DC, а также двигатели или реле могут создавать помехи.
Поэтому антенную систему необходимо проектировать вместе с электроникой.
Сотовые антенны: начинайте с архитектуры MIMO
Сотовым шлюзам часто требуется несколько RF-портов.
Точная архитектура зависит от модема и целевой сети.
Для системы 2×2 MIMO необходимо интегрировать два элемента сотовой антенны с обеспечением эффективного разнесения и изоляции.
Более продвинутым модемам могут потребоваться дополнительные порты.
Ошибка — подобрать несколько одинаковых антенн и установить их рядом с минимальным зазором.
Даже если каждая антенна по отдельности имеет хороший VSWR, после интеграции вся система может работать иначе.
Проектировщикам следует оценить:
- расстояние между элементами;
- относительную ориентацию;
- polarization;
- расположение корпуса;
- прокладку кабелей;
- isolation;
- общая эффективность.
Сотовые антенны могут быть внутренними конструкциями FPC или PCB в компактных шлюзах либо внешними антеннами типа «резиновая уточка» в промышленном оборудовании.
Внешнее исполнение дает больше свободы, но увеличивает количество разъемов и механическую сложность.
Антенны WiFi: покрытие и MIMO нужно рассматривать в комплексе
Антенны WiFi в шлюзе могут обслуживать локальных пользователей, датчики, ноутбуки для техобслуживания, камеры или близлежащие устройства IoT.
Они могут работать на частотах 2.4 GHz, 5 GHz или в других поддерживаемых диапазонах WiFi в зависимости от продукта.
Таким образом, у WiFi-антенны две задачи:
- поддерживать требуемую частоту;
- создавать подходящую зону покрытия вокруг шлюза.
Для шлюза, установленного у стены, может не требоваться такая же диаграмма направленности, как для устройства, размещенного в центре комнаты.
Уличному шлюзу может потребоваться внешняя антенна, размещенная над корпусом или на расстоянии от него.
RFLink’s стеклопластиковая антенна 2,4 ГГц является одним из примеров формата внешней уличной антенны, используемой для WiFi, Bluetooth, Zigbee и IoT-шлюзов.
Для компактных шлюзов, используемых в помещениях, внутренние антенны PCB или FPC могут обеспечить более аккуратную конструкцию изделия.
Антенны LoRa: у шлюза и узла разные потребности
Датчик LoRa и шлюз LoRaWAN могут использовать в целом один и тот же диапазон частот, но иметь разные требования к антеннам.
Небольшой датчик с батарейным питанием может отдавать приоритет размеру и энергоэффективности.
Шлюз может отдавать приоритет зоне покрытия и высоте установки.
Для уличных шлюзов часто полезна стеклопластиковая антенна, поскольку её можно установить над корпусом.
RFLink’s Серия стеклопластиковых антенн на 868 МГц предназначена для таких применений, как шлюзы LoRaWAN, умные счётчики, удалённый мониторинг и промышленные беспроводные системы.
Но более высокий коэффициент усиления не следует выбирать вслепую.
Всенаправленная антенна с высоким усилением обычно имеет более узкую диаграмму направленности в вертикальной плоскости.
Это может быть полезно на больших ровных площадках, но менее полезно, когда узлы находятся близко к шлюзу или расположены на разной высоте.
Высоту шлюза, рельеф, распределение узлов, потери в кабеле и усиление антенны необходимо оценивать в совокупности.
Антенны Bluetooth: компактное радио, реальная проблема сосуществования
Bluetooth часто кажется простым, потому что антенна может быть физически небольшой.
Но Bluetooth обычно работает в том же диапазоне 2.4 GHz, что и WiFi.
Если шлюз передаёт WiFi-трафик высокой мощности или с высокой скважностью, одновременно принимая пакеты Bluetooth, вопрос сосуществования становится важным.
Итоговый результат зависит от чипсета, фильтрации, синхронизации, размещения антенн и программной архитектуры.
Со стороны антенн полезное разнесение и контролируемое размещение могут помочь уменьшить нежелательную связь.
Если Bluetooth и WiFi используют отдельные антенны, не предполагайте, что две антенны 2.4 GHz можно разместить вплотную друг к другу без оценки.
Размещение GNSS-антенны отличается от размещения антенн связи
GNSS принимает сигналы, поступающие со спутников, а не от наземного шлюза или базовой станции.
Поэтому для антенны GNSS важны следующие условия:
- благоприятный обзор вверх;
- удаленность от шумящих цифровых схем;
- по возможности удаленность от мощных передающих антенн;
- стабильная ориентация;
- подходящая структура заземления.
GNSS-антенна, размещённая под большим металлическим радиатором, может работать плохо, даже если её VSWR кажется приемлемым.
Аналогично, размещение GNSS непосредственно рядом с передающей антенной сотовой связи может создать проблемы для приёмника в зависимости от всей радиочастотной архитектуры.
Для уличных шлюзов может быть целесообразно использовать отдельную внешнюю GNSS-антенну.
Для компактных шлюзов может потребоваться внутренняя антенна, что усложняет её размещение.
Внутренние и внешние антенны в IoT-шлюзе
Шлюз может использовать:
Все внутренние антенны
или:
Все внешние антенны
или, что встречается очень часто:
гибридную архитектуру.
Например:
- внутренний Wi-Fi;
- внутренний Bluetooth;
- внешний MIMO сотовой связи;
- внешний LoRa;
- внутренний или внешний GNSS.
Правильная архитектура зависит от материала корпуса, внешнего вида, требований к степени защиты IP, условий монтажа, ремонтопригодности и радиочастотных характеристик.
RFLink’s Руководство по сравнению внутренней и внешней антенн объясняет основные компромиссы.
Преимущества внутренней антенны
- более аккуратный корпус;
- меньше открытых разъёмов;
- снижен риск физических повреждений;
- проще обеспечить эстетичный вид изделия.
Внешние преимущества
- большая гибкость размещения;
- более простая замена антенны;
- проще разнести антенны;
- больше вариантов по усилению и диаграмме направленности;
- во многих случаях лучшее решение для металлических корпусов.
Развязку антенн нужно проектировать, а не предполагать
Развязка описывает, сколько энергии от одной антенны переходит в тракт другой антенны.
Плохая развязка может снизить производительность MIMO, создать проблемы с приемником или сделать систему более чувствительной к одновременной работе радиосредств.
Не существует универсального правила выбора расстояния, гарантирующего достаточную изоляцию.
Результат зависит от:
- частоты;
- типа антенны;
- polarization;
- расстояния;
- корпус;
- заземляющая плоскость;
- кабель;
- близлежащие металлические предметы.
Именно поэтому одного физического расстояния недостаточно.
Две антенны могут обеспечить полезную развязку за счёт ориентации и конструкции даже при ограниченном пространстве.
Другая пара может сильно взаимодействовать даже при большем расстоянии.
Полностью собранный шлюз необходимо измерить.
Прокладка кабелей — часть антенной системы
Внешние и FPC-антенны часто включают коаксиальные кабели.
Эти кабели не являются невидимыми.
Они могут взаимодействовать с соседними антеннами, пересекать цепи с помехами, смещаться при сборке или изменять поведение антенны, если их маршрут прокладки непостоянен.
При компоновке шлюза следует определить:
- длину кабеля;
- трассу кабеля;
- способ крепления;
- минимальный радиус изгиба;
- отделение от цепей с помехами;
- расположение разъема.
В производственных чертежах необходимо сохранить эти детали.
В противном случае прототип может показывать хорошие результаты, а серийные изделия — различаться.
Металлические корпуса полностью меняют конструкцию
Промышленные шлюзы часто размещают в алюминиевых или стальных корпусах.
Излучение внутренней антенны, окруженной металлом, может быть значительно ограничено.
Это не означает, что в каждом металлическом шлюзе должны использоваться только внешние антенны, но конструкция требует тщательного радиочастотного проектирования.
Возможные стратегии:
- внешние антенны;
- пластиковые радиочастотные окна;
- выделенные неметаллические зоны для антенн;
- антенны, встроенные во внешние крышки;
- нестандартные фидерные структуры.
Нельзя окончательно доработать корпус механически, а затем считать, что он не влияет на радиочастотные характеристики.
Пластиковые корпуса не являются невидимыми для электрических полей
Пластик обычно удобнее металла для внутренних антенн, но он всё равно влияет на радиочастотные характеристики.
Разные материалы, толщина стенок, покрытия, краска, декоративные плёнки, этикетки и внутренние рёбра жёсткости могут изменять условия работы антенны.
Поэтому прототип, испытанный без окончательного корпуса, может дать вводящие в заблуждение результаты.
Не откладывайте планирование антенн на конец
Типичная последовательность разработки шлюза:
- завершить разработку печатной платы;
- завершить разработку корпуса;
- заполнить оставшееся пространство антеннами.
Это часто создает ненужный компромисс по РЧ.
Более правильный процесс:
- определить радиомодули;
- зарезервировать антенные зоны;
- проверить структуру заземления;
- определите расположение внешних разъёмов;
- спланируйте трассы прокладки кабелей;
- затем окончательно утвердите механическую конструкцию.
Это снижает потребность в перепроектировании на поздних этапах.
Измеряйте не только КСВН
КСВН полезен, но он не описывает многоантенную систему полностью.
Валидация шлюза также может включать проверку:
- эффективность антенны;
- коэффициент усиления;
- диаграмма направленности;
- isolation;
- корреляция для систем MIMO, где применимо;
- чувствительность приёмника;
- пропускная способность;
- потеря пакетов;
- приём GNSS;
- сосуществование при одновременной работе радиоустройств.
Шлюз может показывать приемлемый КСВН и при этом работать плохо из-за низкой эффективности, шума или взаимного влияния.
RFLink’s Руководство по настройке антенн на уровне устройств подробнее объясняет это различие.
Одновременное тестирование радиоустройств
Одним из наиболее ценных этапов проверки является одновременная работа.
Примеры:
- сотовая связь передает данные, пока GNSS принимает;
- WiFi передает данные, пока активен Bluetooth;
- LoRa принимает данные, пока процессор и интерфейс Ethernet сильно загружены;
- несколько портов MIMO работают одновременно.
Это ближе к реальной нагрузке на шлюз.
Антенная система, работающая при отдельном тестировании каждого радиомодуля, может вести себя иначе при полной эксплуатации.
Практический процесс разработки шлюза с несколькими радиоинтерфейсами
Шаг 1: Создайте матрицу ВЧ-портов
Перечислите все диапазоны и антенные порты.
Шаг 2: Выделите зоны для антенн
Сделайте это до окончательного выпуска печатной платы и корпуса.
Шаг 3: Выберите внутреннюю, внешнюю или гибридную архитектуру
Учитывайте ВЧ-характеристики и механические требования в совокупности.
Шаг 4: Прототипирование размещения антенн
Используйте реальную печатную плату, аккумулятор, радиатор, дисплей, разъемы и корпус.
Шаг 5: Измерьте согласование, эффективность, диаграмму направленности и изоляцию
Не полагайтесь на один параметр.
Шаг 6: Проверка одновременной работы радиооборудования
Обращайте внимание на совместную работу и ухудшение характеристик приемника.
Шаг 7: Настройка окончательной сборки
Внесите корректировки согласования и размещения на основе устройства, представляющего серийное производство.
Шаг 8: Проверка производственного разброса
Проверьте прокладку кабелей, место нанесения клея, сборку разъема и механические допуски.
Частые вопросы
Сколько антенн нужно IoT-шлюзу?
Это зависит от архитектуры радиосвязи. Шлюзу с сотовым MIMO, WiFi MIMO, LoRa и GNSS может потребоваться несколько отдельных радиочастотных трактов.
Можно ли размещать антенны сотовой связи и WiFi рядом друг с другом?
Иногда они могут сосуществовать в компактном изделии, но необходимо оценивать расстояние, частоты, ориентацию, корпус и развязку, а не полагаться на предположения.
Следует ли использовать в IoT-шлюзе внутренние или внешние антенны?
Возможны оба варианта. Многие шлюзы имеют гибридную архитектуру: одни радиомодули используют внутренние антенны, другие — внешние.
Почему для GNSS требуется особое размещение?
GNSS принимает слабые спутниковые сигналы, поэтому обычно выигрывает от хорошей видимости неба и снижения воздействия местных радиочастотных помех.
Достаточно ли хорошего VSWR для шлюза с несколькими радиомодулями?
Нет. Также важны эффективность, диаграмма направленности, развязка антенн, характеристики приёмника и поведение при одновременной работе радиомодулей.
Заключение
Успешное проектирование антенн IoT-шлюза — это системная задача.
Сотовые антенны, Wi-Fi, Bluetooth, LoRa и GNSS предъявляют разные требования, но у них общий корпус, система заземления, электроника, кабели и место в конструкции.
Поэтому антенны нужно проектировать как единую согласованную радиочастотную систему.
Раннее зонирование антенн, реалистичные механические прототипы, испытания на изоляцию, контроль кабелей, настройка на уровне устройства и проверка одновременной работы радиоинтерфейсов позволяют сократить дорогостоящую переработку на более поздних этапах.
Для OEM-шлюзов, где стандартные антенны не могут соответствовать заданным требованиям по частоте, разнесению, MIMO, разъемам, корпусу или производительности, у RFLink есть индивидуальные антенные решения которые поддерживают разработку антенн для нескольких радиоинтерфейсов с учетом окончательной архитектуры устройства.
