Ученые Пермского национального исследовательского политехнического университета решили проблему связи для спецтехники, которая работает в удаленных районах, на полях и стройплощадках. Они создали компактную, экономичную и надежную Wi-Fi-антенну, которая гарантирует минимальные потери сигнала и стабильное соединение. Она не требует внешнего монтажа, интегрируется в плату телематического терминала и практически не увеличивает его стоимость.
Телематические системы сегодня используются повсеместно: в такси и каршеринге, автобусах и грузовиках, строительной и сельскохозяйственной технике, корпоративных и служебных машинах. Они следят за работой транспорта, его состоянием, уровнем топлива, маршрутом, износом деталей, фиксируют нарушения и передают всю информацию в диспетчерскую службу через сотовую сеть. Это позволяет оптимизировать логистику, повысить безопасность и сократить затраты на техобслуживание.
Там, где связь отсутствует, данные по Wi-Fi периодически собирает автомобиль-сборщик, который скачивает всю информацию и отправляет ее на сервер. Эффективность такой передачи зависит от Wi-Fi-антенны.
«Она должна обеспечивать дальность и скорость связи. Антенны бывают как внешние, устанавливаемые в кабину, кузов или на лобовое стекло автомобиля, так и внутренние, встраиваемые внутрь терминала. Первые должны сохранять работоспособность в широком диапазоне температур от −40 до +85 °C и часто подвергаются механическим повреждениям. Вторые не всегда эффективны, поскольку металлическая кабина ослабляет сигнал и экранирует лишь определенные направления передачи», — пояснил Сергей Тюрин, старший преподаватель кафедры «Автоматика и телемеханика» ПНИПУ.
В ходе разработки эксперты изучили распространенные типы встраиваемых Wi-Fi-антенн, которые применяются в смартфонах, модемах, спутниковых системах и приборах диагностики, сравнили керамические, штампованные, печатные и патч-антенны. Все они изготавливаются по технологии печатных плат — пластин, на которых сформированы проводящие дорожки для соединения электронных элементов.
«Наилучшие показатели по габаритам, стоимости, воспроизводимости, защите от статики и направленности продемонстрировала печатная MIFA-антенна. Ее конструкция представляет собой медную дорожку в виде зигзагообразной линии, которая формируется непосредственно на поверхности печатной платы. Это не требует закупки и монтажа дополнительных компонентов, что позволяет значительно снизить себестоимость при массовом производстве устройств», — поделился ученый.
Сначала эксперты создали компьютерную 3D-модель, с помощью которой рассчитали характеристики MIFA-антенны: мощность подаваемого сигнала (коэффициент отражения), общее сопротивление сигналу (импеданс), направления, в которых он распространяется от антенны (диаграмма направленности). Это показало, насколько эффективно терминал сможет передавать накопленные данные мобильному сборщику.
Затем ученые изготовили опытный образец и проверили его работоспособность. Его настроили практически до идеальных характеристик: антенна принимает 99 % подаваемой на нее мощности в целевом частотном диапазоне 2,45 ГГц. Это гарантирует, что энергия действительно излучается и достигает своей цели, а не отражается и не теряется. А значит, обеспечивается устойчивое соединение без потерь.
Во время полевых испытаний разработчики смоделировали реальную ситуацию взаимодействия мобильного сборщика и техники на поле или в лесу, где расстояние между ними составляет примерно 50–100 метров. Антенну установили внутрь автомобиля на пустой парковке в 100 метрах от приемника (имитатора мобильного сборщика), куда передавались проверочные данные объемом 10 мегабайт. Были измерены фактический уровень сигнала, скорость обмена и направленность излучения. Показатели сравнили с другими типами антенн: встраиваемой в корпус и патч-антенной, устанавливаемой на лобовое стекло автомобиля.
«Наша разработка показала наилучший результат. Средняя скорость передачи составила 1,56 Мбит/с, а время отправки 10 мегабайт данных — всего 54,4 секунды. Также подтвердилась возможность излучения во всех направлениях. Это демонстрирует эффективность устройства и стабильность связи на серьезной дистанции. Для сравнения: патч-антенна показала скорость 1,49 Мбит/с, а встроенная — всего 0,63 Мбит/с», — прокомментировал Сергей Тюрин.
Полученные результаты подтвердили, что антенна ученых ПНИПУ может использоваться в серийных продуктах как встроенное решение. Это делает ее идеальной для массового применения на коммерческом и грузовом транспорте, в сельском хозяйстве, лесозаготовках, строительстве и добывающей промышленности — там, где машины работают вдали от населенных пунктов и зон устойчивого покрытия сотовых сетей.
Проект реализуется в рамках программы Минобрнауки России «Приоритет-2030» (национальный проект «Молодежь и дети»).
