Принять и отдать: как мы совершенствовали Wi-Fi сигнал
Меня зовут Евгений Торчинский, практически всю свою жизнь я работаю с технологиями. Сейчас я руковожу Movix Lab — мы уже много лет занимаемся железом, софтом и работаем с технологиями искусственного интеллекта.
Сегодня я и мои коллеги поделимся опытом в подборе параметров и способов тестирования качества Wi-Fi сигнала в смарт-устройствах. Поговорим также об особенностях конструирования антенн и их эволюции на примере наших устройств — ранней линуксовой ТВ-приставки и новой компактной Movix Go на Android TV. Проектирование последнего в силу сразу нескольких конструктивных особенностей стало для нас настоящим испытанием, но обо всем по порядку.
Отмечу, что этой статьи (как и самих приставок, о которых я здесь рассказываю) не было бы без команды «Девайсов» Movix Lab. Спасибо Павлу Мальцеву и Артему Егорову!
Предстория и физика
В 2018 году команда «Девайсов» запустила в продакшен ТВ-приставку на ОС Linux. Вот, как выглядела антенна в той приставке:
Строго говоря, это сразу два перпендикулярно расположенные металлические PIFA антенны с 3D конфигурацией. Они устанавливались на печатную плату методом сквозного монтажа. В результате, эти антенны формировали диаграмму направленности, которая максимально покрывает три основных направления: два по горизонтали и один по вертикали.
Диаграмма направленности — один из очень важных параметров при выборе антенны и места ее установки. Неправильный выбор антенны грозит примерно такой ситуацией: лежащие на столе устройство будет излучать и принимать сигнал прямо перед собой, а вот под углом 90 градусов от него сигнала может не быть вообще. Для улучшения качества сигнала антенны должны быть очень хорошо проработаны инженерно, а их расположение грамотно продумано.
И здесь есть немало особенностей. Например, металлическая антенна и металлические элементы платы могут влиять друг на друга и создавать помехи для распространения сигнала. Кроме того, неверно проложенный антенно-фидерный тракт может ловить помехи от других электронных компонентов устройства.
Диаграммы направленности составляются относительно изотропного излучателя — воображаемой идеальной антенны, которая излучает сигнал одинаковой интенсивности во всех направлениях. Разница в усилении\ослаблении сигнала реальной антенны относительно изотропного излучателя замеряется в разных направлениях и отображается в графическом виде на диаграмме направленности. Максимальное усиление в диапазонах 2.4\5ГГц и в плоскостях E1, E2, H в децибелах можно увидеть на картинке выше.
Картинка 1. VSWR для фронтальной и боковой антенны
На картинке выше есть еще несколько параметров. Один из них — VSWR — это коэффициент стоячей волны по напряжению. Он показывает, насколько качественно согласован антенно-фидерный тракт — при значении = 1 отраженный сигнал отсутствует (это идеальный тракт). Хорошими показателем считается коэффициент в диапазоне от 1 до 2, чем ближе значение к единице тем меньше негативное влияние на качество сигнала.
Почему вообще может происходить влияние на качество приема\передачи радиосигнала? Грубо говоря, у самой антенны, выходного тракта усилителя и у самого коаксиального кабеля есть волновое сопротивление. Если у разных элементов оно разное, то возникнет граница переходов от одного сопротивления к другому, а сама волна может отразиться или исказиться на этом переходе. В общем, чем лучше согласована работа этих элементов, тем лучше и чище получается сигнал.
Еще одна важнейшая характеристика антенны — частотный диапазон, в котором она работает. На момент проектирования нашей линуксовой приставки основными диапазонами можно назвать 2,4 ГГц и 5 ГГц (с тех пор появился новый диапазон 6 ГГц для стандартов Wi-Fi 6e и 7).
И вот тут начинаются проблемы. В типичных жилых зданиях диапазон 2,4 ГГц занят на 100%. Каналов всего тринадцать, из которых только три являются непересекающимися. Волны на этой частоте лучше проходят через стены, что может мешать клиентам на этажах, где не мешают на 5-6 ГГц. Кроме того, на этой частоте работает Bluetooth, микроволновки и USB3+, что также создает помехи. Несмотря на это, 2,4 ГГц является самым популярным стандартом, и почти у всех есть роутеры с ним, но рекомендовать его сложно.
Ситуация с 5 ГГц лучше, но большинство Wi-Fi роутеров сгруппированы на каналах 36-64, что создает взаимные помехи. Тем не менее, можно найти свободный канал. Скорее всего и этот диапазон скоро будет заполнен. Поэтому хорошо, что в России начали разрешать использование Wi-Fi в диапазоне 6 ГГц. Устройств, поддерживающих этот диапазон, у клиентов пока мало, а роутеры дорогие, но, возможно, следующее устройство придется делать уже с поддержкой Wi-Fi6(E).
Характеристики и замеры
Зная всю эту физическую базу и желаемые параметры наших приставок, мы можем рассчитывать характеристики нужных конкретно нам антенн. Первым делом мы запросили у производителей оборудования лабораторные измерения девайсов и антенн, которые они нам предлагали.
Поскольку антенны излучают сигналы и могут мешать работе друг друга, для нас был важен максимально возможный коэффициент изоляции. Он просчитывается исходя из расстояния между антеннами, их направлениями и софтом устройства, который может регулировать мощность передачи. На картинках выше мы видим, что в диапазоне 5 ГГц две антенны не очень сильно влияют на работу друг друга, а в диапазоне 2,4 ГГц — заметно сильнее.
После расчетов создается прототип устройства, который затем проверяется в безэховой камере. В такой камере влияние внешних помех сведено к минимуму, поэтому здесь тестируется передача сигнала и возможное влияние элементов устройства на этот сигнал. Замеры производятся в трех плоскостях: горизонтальной, вертикальной и перпендикулярной вертикальной плоскости. На итоговой диаграмме прекрасно видно, в каких направлениях сигнал антенны работает лучше, а в каких чуть хуже. Для нас здесь важно было добиться отсутствия «глухих» направлений, где сигнал принимался и передавался бы заметно хуже других.
Мы изучили все замеры и остановились на конкретной конфигурации антенн для нашей линуксовой приставки. После этого мы запустили серию дополнительных тестов: приставка предназначалась для клиентов Дом.ру, поэтому мы в обязательном порядке тестировали ее на совместимость с нашими рекомендованными роутерами. Надо сказать, что проверить совместимость вообще со всеми роутерами на рынке практически невозможно — это займет слишком много времени. Тем не менее, устройства должны стабильно работать во всех конфигурациях, поэтому важно тестировать как можно больше, в том числе не только наши роутеры.
Донгл и новые вызовы
Но, линуксовая приставка — это дела давно минувших дней. В новом поколении Android TV приставок разработано три устройства Movix. Самое интересное из них с точки зрения темы статьи — это донгл Movix Go, компактная приставка. На всякий случай поясним: донглом в этом случае мы называем очень компактную приставку с гибким кабелем, которая очень незаметно висит с задней стороны телевизора.
Из-за маленьких размеров донгла мы были очень сильно ограничены в технологиях и размерах антенн. Отдельная головная боль при разработке — место его размещения: он должен висеть за телевизором, подключенный в HDMI-порт. То есть, у этой приставки по умолчанию не будет линии прямой видимости с пультом, Wi-Fi роутером и дополнительными устройствами, зато будут препятствия, переотражение, непредсказуемое размещение в пространстве. Поскольку в радиодиапазоне матрица телевизора, по сути, превращается в огромное металлическое зеркало, работать новому донглу предстояло в тяжелых условиях. Остальные же наши устройства в этом проекте значительно больше — там можно было разгуляться в размерах антенн. В свою очередь, предполагающий настольное размещение форм-фактор предполагает гораздо меньшее количество препятствий для сигнала.
Как это часто бывает, в итоге получился запуск в двух итерациях. Первая версия донглов была с Micro USB портами и конфигурацией BT-антенны на гибкой подложке (FPC — flexible printed circuit), плюс две Wi-Fi антенны, интегрированные в PCB, — таких мы закупили всего десять тысяч штук. Антенны выглядели следующим образом:
[фото + краткое описание деталей]
Две Wi-Fi антенны с технологией MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) — сигнал передается и принимается сразу с двух антенн одновременно. Отдельная выделенная антенна под Bluetooth, чтобы минимизировать интерференцию в диапазоне 2.4ГГц c Wi-Fi сигналом. Если не развести их по разным антеннам, возникнет еще и необходимость мультиплексирования с разделением по времени, что еще негативнее скажется на скорости передачи, задержках, и даже может привести к дропам пакетов. Это особенно критичный момент в нашей приставке — мы используем Bluetooth не только для передачи звука, но и для управления приставкой пультом. Кстати, подробнее об этом можно почитать в нашей предыдущей статье.
Грамотно разместить три антенны на таком маленьком пространстве — прямо скажем, очень трудно. Здесь нас очень выручила экспертиза команды, все стали вспоминать релевантные случаи из практики. Например, один очень серьезный китайский производитель на одной из партий чипов разместил антенну над оперативной памятью. Получилось так, что работающий на частоте 2,4 ГГц Wi-Fi располагался над оперативной памятью, которая работает на 800 Гц. В результате третья гармоника (паразитный сигнал, излучаемый на частоте кратной основному сигналу при прохождении через реальные антенно-фидерные устройства и усилители) 800 МГц — 2,4 ГГц, что пересеклось с частотой работы Wi-Fi. Из-за этого получилось так, что оперативная память просто заглушила Wi-Fi. Подобных нюансов с прокладкой кабеля, экранированием силовой и радиопередающей частей и так далее действительно очень много. В донгле мы, например, всю высокочастотную часть закрыли металлическим экраном, чтобы на нее не воздействовали помехи.
С тех пор мы уже внесли несколько изменений в этот девайс: Micro USB заменили на Type-C и значительно улучшили антенну. Теперь там используется достаточно прогрессивный вариант технологии — керамическая PIFA антенна. Ее можно увидеть на картинке ниже, в правом нижнем углу.
Такая антенна имеет всенаправленную диаграмму излучения и невосприимчива к близко расположенным другим антеннам и статике, что позволяет с успехом использовать этот тип антенн в портативных устройствах. По сравнению с антеннами на гибкой подложке, это огромный шаг вперед. Мы значительно улучшили качество и стабильность передачи данных.
Данная PIFA-антенна имеет дополнительное преимущество: не только она сама является излучающей структурой, но и всю плату можно использовать в качестве таковой. Важно правильно рассчитать размеры этой платы, чтобы излучение и прием сигнала были максимально эффективными. Исследования показывают, что наибольшая эффективность Wi-Fi/BT антенны достигается при длине печатной платы в диапазоне 50-60 мм, которая была выбрана для данного донгла.
Еще один бонус от использования керамической антенны — это возможность избавиться от проводника в виде коаксиального кабеля на печатной плате. То есть, он не только позволил нам увеличить антенну, но и облегчил работу по сборке приставки и устранил потенциальное слабое звено (кабель может ловить ВЧ помехи, вспоминаем про кейс с оперативной памятью и Wi-Fi модулем и даже НЧ от силовой части). Раньше было критически важно при производстве наклеить антенну в строго определенное место, не помять ее, правильно проложить кабель и учесть еще множество мелочей. Сейчас об этом беспокоиться не нужно.
Кроме того, мы провели замеры и сравнили производительность, скорость, потери, работу Bluetooth и Wi-Fi одновременно — керамика везде показывает себя значительно лучше.
Думаю, на этом можно и остановиться. Было очень приятно и полезно оглянуться на наши процессы — все-таки очень много эмоций было вложено в создание этих приставок, особенно в совершенствование сигнала. Впереди будет еще много чего интересного — следите за новостями!