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物联网设计中的天线设计注意事项

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前言
随着越来越多的设备以无线方式连接到Internet,电子工程师面临许多挑战,例如如何组装无线电发射机以展现设备空间以及如何设计和制造尺寸越来越小的设备。此外,他们正在努力满足客户对符合人体工程学,适用的可访问性以及与环境和谐的物联网(IoT)产品的需求。
 
在考虑物联网产品时,期望尺寸是最重要的考虑因素之一,此外,通常还要考虑无线电性能和价格。理想情况下,工程师更喜欢具有小尺寸,出色的RF(射频)性能和低价格的IoT组件。但是,物联网组件通常无法包含上述所有优势,因此解决方案提供商必须面对挑战。
 
幸运的是,由于电子行业不断依赖全新的硅工艺技术,因此近年来见证了越来越小的硅芯片尺寸。通过将MCU(微程序控制单元)和RF前端集成到SoC(片上系统)结构中,空间问题已成功解决,用于IoT实施。但是,SoC的发展趋势尚未解决与RF发射机(即天线)的物理结构有关的问题。我们通常将天线设计留给客户,或建议他们选择集成天线的易于使用的天线模块。在设计小型物联网设备时,天线空间是我们必须面对的另一个挑战。空间设计要求高效和可靠的无线连接能力。
 
为什么选择SoC?
由于21 日世纪看到物联网的初始蓬勃发展,被业界视为M2M(机器对机器)。促成物联网互连的组件主要包括GPRS调制解调器,蓝牙串行电缆或Sub-G无线电。所有设计都利用两个领先的组件来实现连接:MCU和无线调制解调器。足以实现基本物联网功能的最小空间为所有尺寸均为50mm,这意味着所有设备的尺寸仅相当于手机的尺寸。
 
随着硅行业不断朝着将MCU和RF功能集成到一个芯片空间中的技术发展,开发人员开始拥抱更多机会。现在,他们可以在同一IC / SoC内实现IoT设备的所有功能。由于无线MCU具有明显的优势,因此IoT组件系统开始向无线MCU转换。因此,工程师能够仅使用一种类型的组件来设计IoT设备并节省空间。此外,由于部件成本低,它们能够降低成本。当准备选择现代物联网设备的结构时,基于SoC的系统将因其尺寸优势而变得越来越流行。
 
然而,SoC的发展趋势无法解决物理结构问题,即天线。
 
如何安排天线以及需要多少空间?
必须承认,由于必须同时考虑尺寸和效率,天线必须面对多种尺寸的复杂性。由于BOM(物料清单)成本相对较低,因此通常通过PCB跟踪来设计天线以进行IoT设计。但是,PCB天线要求尺寸通常在25mm×15mm范围内的显着要求,导致物联网产品的体积很大。当将天线应用于模块中时,它们还具有另一个缺点,即它们对屏蔽材料造成的失谐非常敏感,因此在最终产品组装过程中需要特别考虑以达到最佳工作状态。在SoC设计中,作为常规设计的一部分,需要根据一些专门知识来获得天线调谐。在设计中,
 
天线制造商长期以来一直提供“芯片天线”,以简化设计工作。此外,这种天线在尺寸方面具有优势。天线此类别通过以下途径主要提供:
一。天线未与GND耦合。这种类型的天线要求具有较大尺寸的间隙范围。这种天线的典型示例包括单极天线和F型F天线。
b。天线与GND耦合。这种类型的天线仅需要提供相对较小的净空范围,或者根本不需要天线。
 
两种类型的天线均具有电气间隙范围或接地平面,以及PCB尺寸方面的空间要求。IoT设计中RF组件所调用的空间还应该包括必要的间隙范围,因为任何组件或迹线都不得留在此处,这意味着在设计人员估算IoT设备的尺寸时,应注意PCB尺寸和间隙范围与天线。此外,天线和屏蔽边缘之间应保持一定的空间。
 
当物联网设备设计成纽扣电池大小时,天线效率肯定会受到损害。当我们尝试减小其尺寸时,实现RF性能的效率将随之降低。只有在2.4GHz频率下,才能实现所有尺寸小于10mm的设备的性能。例如,可以向手机用户提供10米以上的蓝牙连接,这被大多数人接受。
 
但是,当所有方向的尺寸都接近20mm时,RF效率将大大提高。当接近40mm时,实现接地调整的众多天线的高效率将攀升至最高。
 
此后意味着,根据蓝牙4.2协议,两个等效设备之间的通信距离应在60mm至400mm的范围内。一旦应用了15.4协议(例如Zigbee),可视范围内的最长通信距离就可以达到500米或以上。因此,设计人员需要根据应用和目标尺寸的差异来平衡PCB尺寸以及天线的性能和效率,因为大多数芯片天线都将PCB接地层视为天线配置的一部分。此外,天线/模块的位置在设计阶段也起着关键作用,因此设计人员需要考虑间隙范围以实现模块的最佳接地。

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