Оптимизация дизайна антенны для компактных IoT-устройств

По мере того как всё больше устройств подключается к интернету беспроводными способами, электронные инженеры сталкиваются с множеством вызовов: как разместить радиопередатчик в имеющемся пространстве оборудования и как проектировать и производить устройства всё меньших размеров. Кроме того, они стремятся удовлетворить требования клиентов к IoT-продуктам (Internet of Things), совместимым с эргономикой, доступностью применения и гармонией с окружением.

Когда рассматриваются IoT-продукты, ожидание размера — одно из самых важных соображений, помимо которого радио-свойства и цена также обычно учитываются. Идеально инженерам нравятся IoT-компоненты с малым размером, отличной RF (радиочастотной) производительностью и низкими ценами. Однако IoT-компоненты обычно не объединяют все перечисленные преимущества, поэтому поставщики решений должны сталкиваться с вызовами.

К счастью, поскольку электронная индустрия постоянно опирается на принципиально новые кремниевые процессные технологии, последние годы свидетельствовали всё более малые размеры кремниевых кристаллов. Интегрируя MCU (микропрограммируемое управляющее устройство) и RF-фронтенд в структуру SoC (system on chip — система на кристалле), проблема пространства была успешно решена для реализации IoT. Однако тренд развития к SoC не решил вопрос физической структуры RF-передатчика — антенны. Обычно дизайн антенны оставляют клиентам или советуем им выбрать удобный в использовании антенный модуль с интегрированной антенной. Пространство для антенны — ещё один вызов при проектировании малых IoT-устройств. Пространственный дизайн требует высокой эффективности и надёжной способности беспроводного соединения.

Почему SoC?

Когда в 21-м веке началось расцветание IoT, индустрия считалась M2M (machine to machine — машина-машина). Компоненты, способствующие IoT-взаимосвязи, в основном включали GPRS-модем, Bluetooth-кабель или Sub-G радио. Все дизайны использовали два ведущих компонента для достижения связи: MCU и беспроводной модем. Минимальное пространство, достаточное для реализации фундаментальных функций IoT, составляет 50 мм во всех измерениях, что означает, что размер всех устройств равен размеру мобильного телефона.

По мере того как кремниевая индустрия последовательно движется к технологии, интегрирующей MCU и RF-функции в пространство одного кристалла, разработчики начинают обретать больше возможностей. Теперь они могут реализовать все функции IoT-устройств в том же IC/SoC. Благодаря очевидным преимуществам беспроводного MCU, система IoT-компонентов начинает конвертироваться к беспроводному MCU. В результате инженеры могут проектировать IoT-устройства с только одним типом компонентов и экономить пространство. Более того, они могут снизить стоимость благодаря низкой стоимости компонентов. Поскольку структуры современных IoT-устройств готовы к выбору, системы на базе SoC будут популярнее благодаря преимуществу в размере.

Тем не менее, тренд развития к SoC не решает проблему физической структуры — антенны.

Как размещать антенну и сколько пространства требуется?

Признать нужно, что антенна должна сталкиваться со сложностью по множеству измерений, так как нужно учитывать и размер, и эффективность. Поскольку стоимость BOM (спецификации материалов) относительно низка, обычно антенна проектируется через трассировку печатной платы для IoT-дизайна. Однако PCB-антенна требует заметных размеров — обычно в диапазоне 25×15 мм, что увеличивает объём IoT-продукта. Антенны также имеют другой недостаток при применении в модулях: они очень чувствительны к дестройке (detuning) в результате экранирующих материалов и должны специально учитываться в процессе сборки конечного продукта для достижения оптимального рабочего состояния. В дизайне SoC, как часть обычного дизайна, настройка антенны получается в зависимости от некоторых специализированных знаний. В дизайнах нет разницы между PCB-антенной и другими антеннами.

Производители антенн давно предоставляют «chip antenna» (кристаллическую антенну) для упрощения проектной работы. Более того, этот тип антенны имеет преимущества в размере. Эта категория антенн в основном предоставляется следующими способами:

• а. Антенна, не связанная с GND. Этот тип требует зону очистки (clearance) относительно большого размера. Типичные примеры: монофельная антенна и перевёрнутая F-антенна.
• б. Антенна, связанная с GND. Этот тип требует только относительно малую зону очистки или не требует антенны вовсе.

Оба типа антенн имеют зону очистки или заземляющую плоскость и требования к пространству в терминах размера печатной платы. Пространство, требуемое RF-компонентами в IoT-дизайне, также должно включать необходимую зону очистки, так как никакой компонент или трасса не должны оставаться здесь. Это означает, что когда дизайнеры оценивают размер IoT-оборудования, размер печатной платы и зона очистки должны учитываться вместе с антенной. Кроме того, определённое пространство должно поддерживаться между антенной и краем экрана.

Когда IoT-устройства проектируются размером с монетную батарейку, эффективность антенны определенно повреждается. Когда мы пытаемся сделать размер меньше, эффективность достижения RF-производительности будет затем снижена. Производительность устройства менее чем 10 мм во всех измерениях не будет достигнута до частоты 2,4 ГГц. Например, Bluetooth-соединение на 10 метров может быть предоставлено пользователям мобильных телефонов, что принимается большинством.

Однако когда размер во всех направлениях приближается к 20 мм, эффективность RF будет драматически увеличена. Когда приближается к 40 мм, высокая эффективность множества антенн с заземлённой настройкой достигнет максимума.

Это означает, что дальность связи между двумя эквивалентными устройствами должна быть в диапазоне 60–400 мм согласно протоколу Bluetooth 4.2. При применении протокола 15.4 (например, Zigbee) максимальная дальность связи в пределах видимости может достигать 500 метров и более. Таким образом, дизайнерам нужно балансировать размер печатной платы и производительность/эффективность антенны на основе различий приложений и целевого размера, потому что большинство кристаллических антенн рассматривают заземляющую плоскость печатной платы как одну секцию конфигурации антенны. Более того, позиция антенны/модуля также играет ключевую роль в фазе дизайна, поэтому дизайнеры должны учитывать зону очистки для достижения оптимального заземления модуля.