Соображения по проектированию антенны при разработке IoT

По мере того, как все больше и больше устройств подключаются к Интернету беспроводным способом, инженеры-электронщики сталкиваются с множеством проблем, таких как сборка радиопередатчика, позволяющего разместить оборудование, и разработка и производство устройств все меньшего размера. Кроме того, они стремятся удовлетворить потребности клиентов в продуктах IoT (Интернет вещей), совместимых с эргономикой, применимой доступностью и гармонией с окружающей средой.

При рассмотрении продуктов IoT одним из наиболее важных соображений является ожидаемый размер, помимо которого также обычно учитываются характеристики радиосвязи и цена. В идеале инженеры предпочитают компоненты IoT с небольшими размерами, отличными радиочастотными характеристиками и низкими ценами. Однако компоненты IoT обычно не обладают всеми упомянутыми выше преимуществами, поэтому поставщикам решений приходится сталкиваться с трудностями.

К счастью, поскольку электронная промышленность постоянно зависит от совершенно новой технологии обработки кремния, в последние годы наблюдается все более меньший размер кремниевых чипов. Путем интеграции MCU (микропрограммного блока управления) и внешнего интерфейса RF в структуру SoC (система на кристалле) проблема пространства была успешно решена для реализации IoT. Однако тенденция развития SoC не решила проблему, касающуюся физической структуры радиочастотного передатчика, то есть антенны. Обычно мы оставляем дизайн антенны на усмотрение заказчика или советуем подобрать простой в использовании антенный модуль со встроенной антенной. Место для антенны — еще одна проблема, с которой нам приходится сталкиваться при разработке небольших устройств IoT. Космический дизайн требует высокой эффективности и надежного беспроводного соединения.

Почему SoC?

Как 21 ^й век стал свидетелем первоначального расцвета IoT, отрасль рассматривалась как M2M (от машины к машине). Компоненты, способствующие взаимодействию IoT, в основном включают модем GPRS, последовательный кабель Bluetooth или радио Sub-G. Все конструкции используют преимущества двух ведущих компонентов для обеспечения связи:микроконтроллера и беспроводного модема. Минимальное пространство, достаточное для реализации основных функций IoT, составляет 50 мм по всем размерам, а это означает, что размер всех устройств равен размеру мобильного телефона.

По мере того, как кремниевая промышленность последовательно движется к технологии, объединяющей функции MCU и RF в пространстве одного чипа, разработчики начинают использовать все больше возможностей. Теперь они могут реализовать все функции IoT-устройств в рамках одной микросхемы/системы на кристалле. Поскольку беспроводное MCU имеет очевидные преимущества, компонентная система IoT начинает преобразовываться в беспроводное MCU. В результате инженеры могут проектировать устройства IoT только с одним типом компонентов и экономить место. Кроме того, они могут снизить стоимость за счет низкой стоимости компонентов. По мере того, как структуры современных IoT-устройств готовы к выбору, системы на базе SoC будут более популярны за счет преимущества в размерах.

Тем не менее тенденция развития SoC не решает проблему физической структуры, то есть антенны.

Как расположить антенну и сколько места требуется?

Следует признать, что антенне приходится сталкиваться со сложностью в нескольких измерениях, поскольку необходимо учитывать как размер, так и эффективность. Поскольку стоимость спецификации (ведомости материалов) относительно низка, обычно антенна проектируется с помощью трассировки печатной платы для проектирования IoT. Тем не менее, антенна на печатной плате требует значительного размера, который обычно находится в диапазоне 25 мм × 15 мм, что приводит к большому объему продукта IoT. Антенны также имеют еще один недостаток, когда они применяются в модулях, то есть они очень чувствительны к расстройке из-за материала экрана, и их необходимо специально учитывать в процессе сборки конечного продукта, чтобы достичь оптимального рабочего состояния. В конструкции SoC, как части обычного проектирования, настройка антенны осуществляется в зависимости от некоторых специальных знаний. В конструкциях нет разницы между антенной на печатной плате и другой антенной.

Производители антенн уже давно выпускают «чиповые антенны», чтобы упростить проектирование. Кроме того, этот тип антенны имеет преимущества с точки зрения размера. Эта категория антенн в основном предоставляется следующими способами:
a. Антенна отсоединена от GND. Для этого типа антенн требуется дальность действия при относительно больших размерах. Типичные примеры антенн этого типа включают однополюсную антенну и Flip-F антенну.
b. Антенна соединена с GND. Антенна этого типа должна обеспечивать относительно небольшой радиус действия или вообще не нуждается в антенне.

Оба типа антенн имеют зазор или плоскость заземления, а также требования к пространству с точки зрения размера печатной платы. Пространство, называемое радиочастотными компонентами в конструкции IoT, также должно включать необходимый диапазон зазоров, поскольку здесь нельзя оставлять какой-либо компонент или след, а это означает, что, когда проектировщики оценивают размер оборудования IoT, размер печатной платы и диапазон зазоров должны быть совместимы с антенна. Кроме того, между антенной и краем экрана должно оставаться определенное пространство.

Когда устройства IoT спроектированы так, чтобы иметь размер кнопки, эффективность антенны определенно снижается. Когда мы пытаемся уменьшить его размер, эффективность достижения радиочастотных характеристик впоследствии будет снижена. Производительность устройства толщиной менее 10 мм во всех измерениях не будет достигнута до частоты 2,4 ГГц. Например, пользователям сотовых телефонов может быть предоставлено соединение Bluetooth на расстоянии более 10 метров, что приемлемо для большинства.

Однако, когда размер во всех направлениях приближается к 20 мм, эффективность RF будет резко увеличена. Когда он приблизится к 40 мм, эффективность многочисленных антенн с достигнутой настройкой заземления поднимется до максимума.

Это означает, что расстояние связи между двумя эквивалентными устройствами должно быть в диапазоне от 60 мм до 400 мм в соответствии с протоколом Bluetooth 4.2. После применения протокола 15.4 (например, zigbee) максимальное расстояние связи в пределах видимости может достигать 500 метров и более. Таким образом, разработчикам необходимо сбалансировать размер печатной платы, производительность и эффективность антенны на основе различий в приложениях и целевого размера, поскольку в большинстве антенн на основе микросхем плоскость заземления печатной платы рассматривается как одна секция конфигурации антенны. Кроме того, положение антенны/модуля также играет ключевую роль на этапе проектирования, поэтому разработчикам необходимо учитывать зазоры для обеспечения оптимального заземления модуля.