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

Первая часть статьи.

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.

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.

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 мм².

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.

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].

Антенны Quectel для систем спутниковой навигации

Приемник ГНСС должен принимать сигналы от максимального числа спутников, расположенных на расстояниях около 20 тыс. км от него. Надежные и точные навигационные данные могут быть получены только в том случае, если среднее отношение плотности мощности несущей к шуму (C/N0 — carrier-to-noise-density ratio) для самых сильных спутников находится в промежутке 44–50 дБГц.

Важно отметить, что сигнал от спутников ГНСС имеет правостороннюю круговую поляризацию (right-hand circular polarized — RHCP).

В основном в бытовых приемниках систем спутниковой навигации используются три типа пассивных антенн: Patch Antenna (микрополосковая патч-антенна); Helix Ceramic Antenna (спиральная керамическая антенна) и в меньшей степени Chip Antennas (чип-антенна).

ГНСС патч-антенны

ГНСС патч-антенны (GNSS patch antenna) получили наибольшее распространение в мобильных устройствах систем спутниковой навигации. В простейшем варианте такая антенна состоит из диэлектрика, на одной стороне которого расположена сплошная заземленная металлическая пластина, а на другой — рабочая металлическая пластинка (patch), соединенная с линией питания — feeding (рис. 10).

Рис. 10. Упрощенная схема патч-антенны [29]

Форма рабочей патч-пластины может быть круглой, прямоугольной, эллиптической или треугольной. При изготовлении этих антенн была первоначально использована микрополосковая технология печатных плат. Отсюда возникло название антенн данного класса — «полосковые патч-антенны» (patch-antenna), для которого в русскоязычной литературе укоренилась аббревиатура МПА.

В случае прямоугольной патч-пластины ее ширина составляет примерно половину длины волны, а в варианте круглой конструкции диаметр патч-пластины находится в диапазоне 0,55–0,59 длины волны.

Параметры МПА определяются следующими величинами:

• размеры заземляющей плоскости;
• диэлектрическая проницаемость изолятора;
• толщина изолятора;
• размеры рабочей патч-площадки.

Относительная рабочая полоса МПА зависит от диэлектрической проницаемости подложки и ее высоты.

Для предварительного выбора МПА можно воспользоваться онлайн-калькулятором, который позволяет определить длину (L) и ширину (W) прямоугольной микрополосковой рабочей пластины для заданных значений резонансной частоты, диэлектрической проницаемости (εr) и толщины (h) изолятора. Также можно вычислить входной импеданс на границе рабочей области. Возможно решение и обратной задачи — расчет параметров антенны для заданной частоты [29].

Коэффициент усиления МПА и структура диаграммы направленности зависят от площади заземляющей поверхности. Для антенны YG0039AA, расположенной на квадратной заземляющей поверхности размерами 52×52 мм, значение пикового усиления (Peak Gain) равно 3 дБиК. В этом варианте коэффициент эллиптичности (AR) минимален. С увеличением площади заземляющей поверхности увеличивается AR и диаграмма направленности вытягивается. С другой стороны, при небольших размерах плоскости заземления в диаграмме направленности появляется зад­ний лепесток [18].

В МПА, предназначенных для работы в одном частотном поддиапазоне, например ГЛОНАСС L1 или GPS L1, как правило, используется одна рабочая патч-пластина и один слой диэлектрической подложки. Для многодиапазонных МПА, способных одновременно дифференцированно принимать сигналы разной частоты (GPS + GLONASS), применяются специальные конструкции, содержащие две и более рабочие пластины (slot-patch antenna in multilayered configuration).

Существует множество конструкций, разработанных на базе этой идеи. Например, в статье [30] используется конструкция, в которой две рабочие патч-пластины, расположенные внутри изолятора, имеют толщину много меньше, чем у самих диэлектрических подложек. Форма металлических патч-пластин квадратная, с расположенными по диагонали квадратными вырезами. В работе [31] рассмотрена конструкция 2-диапазонной патч-антенны на подложке с гибридным кольцевым соединением и двумя точками питания.

В таблице 5 приведены технические характеристики пассивных ГНСС патч-антенн для поверхностного монтажа из каталога Quectel.

Одной из важных характеристик ГНСС-антенн является коэффициент эллиптичности поляризационной характеристики (Antenna Axial Ratio), определяемый как отношение осей диаграммы, выраженное в децибелах. Наряду с коэффициентом стоячей волны коэффициент эллиптичности показывает, насколько поляризация антенны отличается от идеальной круговой формы.

Кроме ГНСС SMD-антенн, фирма Quectel поставляет встраиваемые пассивные ГНСС патч-антенны, технические характеристики которых приведены в таблице 6. Этот тип антенн предназначен для монтажа внутри корпуса устройства в непосредственной близости от модуля ГНСС. Они снабжены кабелем небольшой длины с разъемом, соответствующим разъему рекомендованного модуля.

На рис. 11 показана пассивная встраиваемая ГНСС патч-антенна YG0030AA с кабелем и разъемом IPEX для подключения к модулю Quectel.

Рис. 11. Пассивная ГНСС встраиваемая патч-антенна YG0030AA с кабелем и разъемом IPEX для подключения к модулю Quectel [32]

Антенны в таблице 6, поддерживающие два диапазона GPS L1 и L5 в своей конструкции, содержат две активные патч-пластины, каждая из которых соответствует своему диапазону. Кроме того, приведены размеры заземляющей поверхности, обеспечивающей максимальный коэффициент усиления (рис. 11).

Для разных диапазонов параметры антенн несколько отличаются. Так, для антенны YG0030AA значения КСВН для диапазонов L1 и L5 будут соответственно не меньше 1,02 и 1,07. Заметнее отличается усиление: для диапазонов L1 и L5 не больше 3,05 и –0,9 дБи соответственно.

Кроме перечисленных пассивных антенн, в каталоге Quelcom представлены активные встраиваемые ГНСС-антенны с внутренним МШУ.

На рис. 12 показана активная встраиваемая ГНСС-антенна с внутренним МШУ Quectel.

Рис. 12. Активная встраиваемая ГНСС патч-антенна YG0015AA с кабелем и разъемом IPEX MHF для подключения к модулю Quectel [33]

В таблице 7 приведены параметры активных встраиваемых ГНСС патч-антенн с кабелем для подключения к модулям Quectel.

Сравнивая коэффициенты усиления активной и пассивной антенн, необходимо учитывать, что суммарный коэффициент усиления активной антенны определяется коэффициентами усиления пассивной части антенны плюс МШУ. Поэтому для правильной оценки свойств активной антенны ГНСС необходимо учитывать коэффициент усиления пассивной антенны (Ка), коэффициент усиления МШУ (Ку) и коэффициент его шума (Кш). Например, активная патч-антенна Quectel GPS/GLONASS YG0015AA имеет усиление самой антенны для частоты 1575,42 МГц (GPS) <0,47 дБи и для частоты 1602 МГц (ГНСС) <–0,29 дБи. Усиление и коэффициент шума МШУ составляют соответственно для ГЛОНАСС 25 дБ и 2,7 дБ, а для GPS 26 и 2,5 дБи. Встраиваемые и SMD-антенны ГНСС используются для большинства носимых бытовых устройств. Эти антенны размещены в корпусе самого устройства.

Щелевые МПА

Щелевые МПА (Slot-loaded GNSS antenna) относятся к отдельному семейству патч-антенн, в которых рабочие пластины имеют специальные канавки (щели), выполняющие роль волноводов. В самом общем случае в этих конструкциях возбуждение возникает за счет того, что радиочастотный кабель подключается непосредственно к краям щели. Реально существует множество самых различных конструкций, комбинирующих тем или иным способом многослойные структуры с волноводами в виде прорезей [34].

Спиральные антенны ГНСС

Спиральная антенна ГНСС (helical antenna) — это антенна, у которой проводящий активный элемент выполнен в виде спирали. В зависимости от формы различают три типа спиральных антенн: коническая, цилиндрическая и плоская. Также спиральные антенны классифицируются по количеству спиралей: однозаходная (monofilar) — с одной спиралью, и двухзаходные (bifilar) или четырехзаходные — с двумя и четырьмя спиралями соответственно.

В многозаходных спиральных антеннах близко расположенные активные элементы резонируют в четвертьволновом режиме, что значительно уменьшает габаритные размеры. Одной из особенностей этого класса антенн является то, что они могут быть сконструированы как с заземляющим слоем, так и без него [35].

Без заземляющего слоя форма диаграммы направленности спиральной керамической антенны является практически всенаправленной. Заземляющая поверхность может заметно изменить характеристики такой антенны. Диаграмма направленности чип-антенны со спиральным активным элементом отличается от линейной и больше напоминает форму груши. Поэтому такая спиральная антенна может принимать более слабые сигналы в условиях плохой видимости. Однако данный вариант антенны критичен по отношению к отраженным и многолучевым сигналам. Выпускаются спиральные керамические антенны как для установки внутри устройства, так и для использования в качестве внешней антенны.

Антенны со спиральным активным элементом, размещенным внутри изолятора с большой диэлектрической проницаемостью, могут иметь очень маленькие размеры. Например, спиральная GPS-антенна Pulse W3110 имеет размеры 5×2,5×5,5 мм.

ГНСС чип-антенны

Сегодня ГНСС чип-антенны нашли применение в таких бытовых устройствах, как миниатюрные спутниковые трекеры для собак, часы-навигаторы, трекеры на детских ранцах и другие. В приложениях подобного типа для блоков ГНСС все чаще используются ГНСС чип-антенны. Это связано с тем, что чип-антенны имеют самые низкие цены и самые маленькие размеры из всего класса антенн, которые возможно использовать в устройствах систем спутниковой навигации [24].

Однако миниатюрные ГНСС чип-антенны накладывают ряд ограничений на их функциональные возможности. В частности, на чувствительность и стабильность микротрекеров влияют такие параметры чип-антенны, как изолированная площадка под чипом, размер заземляющей поверхности, расположение антенны относительно микросхемы приемника и батареи питания, а также ориентация в пространстве.

Обычные потери в миниатюрных ГНСС-приемниках с чип-антеннами, превышающие 3 дБ, могут быть причиной потери сигналов спутников. Поэтому ГНСС чип-антенны не рекомендуется использовать в устройствах, где навигация является основной или важной функцией.

Внешние активные ГНСС-антенны

Внешние активные ГНСС-антенны применяются для стационарных и размещенных на транспортных средствах устройствах спутниковой навигации. В семействе ГНСС-антенн Quectel есть достаточно много внешних антенн различных конструкций, предназначенных для установки, например, на фасаде здания, крыше автомобиля или на мачте яхты.

Пример такой антенны показан на рис. 13.

Рис. 13. Активная внешняя ГНСС-антенна Quectel YG0028AA в корпусе на магнитной основе, соответствующем IP66

В таблице 8 приведены параметры активных внешних ГНСС-антенн Quectel с кабелем и разъемом SMA. Как правило, эти антенны изготовлены в пылевлагозащитном корпусе и могут эксплуатироваться на открытом воздухе вне помещений.

Комбинированные ГНСС-антенны

Комбинированные ГНСС предназначены для работы в сетях различных стандартов. На рис. 14 показана комбинированная антенна YKL001AA, предназначенная для работы в сетях 2/3/4G, GPS/BD и BT. В конструкции этой антенны использованы не только технологии PCB, но и другие современные решения.

Рис. 14. Комбинированная антенна Quectel YKL001AA, предназначенная для работы в сетях 2/3/4G, GPS/BD и BT [36]

Модель YKL001AA разработана для диапазонов частот:

• BT: 2400–2500 МГц;
• 4G: 824–960 МГц; 1710–2690 МГц;
• GPS&BD: (1575,42 ±10) МГц; (1561 ±10) МГц.

Можно выделить еще одну модель из этого класса YB0007AA, которую Quectel предлагает в комплекте с модулями 5G/LTE-A/LPWA/LTE-Standard/GSM/GPRS/Wi-Fi/Smart Module и RM500Q-GL и RM502Q-GL.

Антенная сборка YB0007AA предназначена для работы в сетях 2/3/4/5/G, а также в системах спутниковой навигации с поддержкой GPS, ГЛОНАСС, BeiDou и Galileo.

Эта антенная сборка обеспечивает эффективную работу интеллектуального мобильного устройства с поддержкой MIMO для диапазонов 5G ниже 6 ГГц. Она также охватывает расширенный диапазон LTE и диапазоны частот технологий CAT-M1, NB-IoT.

Более подробно эта модель рассмотрена в первой части статьи.

Заключение

Бурный рост рынка бытовых и профессиональных систем беспроводной связи стимулирует разработки электронных компонентов, и в частности антенн. Этими направлениями занимаются многие научно-исследовательские центры по всему миру, как в университетах, так и в инженерных центрах ведущих мировых производителей электронных компонентов. С развитием технологий появляется все больше антенн, в которых используются новые элементы, связанные с последними достижениями физики твердого тела, теории распространения электромагнитных волн в веществе и математического моделирования. Дальнейшее развитие конструкций ГНСС патч-антенн связывают с применением новых технологий и материалов, таких, например, как метаматериалы (metamaterial) и неоднородные метаповерхности (nonuniform metasurfaces — NUMSs). Эти технологии позволяют создавать в диэлектрике специальные зоны, запрещающие распространение электромагнитного излучения, и формировать тем самым сложные каналы, в которых могут возникать стоячие волны с заданными резонансными частотами [37, 38].

Технологии с электромагнитными запрещенными зонами (electromagnetic band gap — EBG) представляются одним из перспективных путей создания сверхминиатюрных антенн [39, 40].

Перечисление всех инноваций в области разработок антенн для беспроводной мобильной связи выходит за рамки данной статьи. Можно лишь сказать, что, вероятно, уже в недалеком будущем появятся антенны с размерами меньше миллиметра, которые будут вмонтированы непосредственно в чип приемопередатчика.

Необходимо особо отметить, что рассмотренные в этой статье модели иллюстрируют основные классы антенн 2/3/4/5G, GNSS, что далеко не полностью отражает возможности Quectel по комплектованию производимых им модулей оптимальными марками антенн. Кроме перечисленных выше комплектующих, Quectel рекомендует использовать продукцию следующих своих партнерских компаний [2]: Pulse Electronics [41]; Antenova Limited [42]; JESONCOM [43]; SHEN XUN [44]; VLG [45]; SAINTENNA [46]; INPAQ [47]; Taoglas [48]; Sunnyway [49].