為緊湊型物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備設(shè)計(jì)天線是一項(xiàng)棘手的任務(wù)，但其重要性與日俱增。接下來(lái)讓我們了解有關(guān)這一挑戰(zhàn)以及如何應(yīng)對(duì)的更多信息。

物聯(lián)網(wǎng)（IoT）是一種模式轉(zhuǎn)變的技術(shù)趨勢(shì)，在這種趨勢(shì)下，從冰箱到手表等日常物品都變成了具有互聯(lián)網(wǎng)連接功能的智能設(shè)備。這些物體可以相互共享數(shù)據(jù)，從而使日常生活的許多方面實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化并得到提升。

(資料圖片)

天線在這些設(shè)備中起著舉足輕重的作用。天線是一種將電磁輻射轉(zhuǎn)換為電流的裝置，反之亦然。這一功能對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備以無(wú)線方式相互通信和交換數(shù)據(jù)至關(guān)重要，從而促進(jìn)了物聯(lián)網(wǎng)的互聯(lián)性。

然而，由于存在許多限制和考慮因素，將天線集成到這些小型物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備（圖 1）中是一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)。

圖1。典型的短距離無(wú)線系統(tǒng)。圖片由英飛凌提供

尺寸和空間的挑戰(zhàn)

尺寸限制

在物聯(lián)網(wǎng)世界中，消費(fèi)者渴望緊湊、不引人注目的設(shè)備，而制造商也努力遵守。這些尺寸限制對(duì)天線集成構(gòu)成了重大障礙。

天線的工作原理是在特定頻率上產(chǎn)生諧振，其尺寸通常與設(shè)計(jì)工作頻率的波長(zhǎng)成正比。例如，在 2.4 GHz 頻段工作的偶極子天線最好需要約 6.25 厘米長(zhǎng)，而這種尺寸對(duì)于緊湊型物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備來(lái)說(shuō)往往是不可行的。

空間限制

小型物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備內(nèi)的空間非常擁擠，這給天線集成帶來(lái)了復(fù)雜的任務(wù)。天線必須在靠近處理器、電池和傳感器等其他組件的情況下發(fā)揮作用。這些組件可能會(huì)干擾天線的運(yùn)行，影響其性能，并最終影響設(shè)備的功能。

例如，電池的金屬外殼通常是緊湊型物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中最大的組件，它可以通過(guò)兩種方式干擾天線的工作：一是使天線失諧，改變其工作頻率；二是因其尺寸而屏蔽天線，減少有效輻射模式，削弱設(shè)備的連接性。

類似地，處理器，特別是那些在高頻下運(yùn)行的處理器，會(huì)產(chǎn)生大量的電磁噪聲。當(dāng)天線靠近時(shí)，它會(huì)拾取這種噪聲，從而干擾其信號(hào)的接收和傳輸。

小型化導(dǎo)致天線性能降低

物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備越來(lái)越趨向于小型化、緊湊化，這對(duì)設(shè)備的便攜性和時(shí)尚性來(lái)說(shuō)是件好事，但對(duì)天線的性能卻有不利影響。隨著這些設(shè)備越來(lái)越小，其中的天線也需要縮小。尺寸的縮小會(huì)對(duì)天線工作的許多重要特性產(chǎn)生負(fù)面影響。

小型化對(duì)天線性能的一些不利影響包括：

諧振效率降低：天線的工作原理是與特定波長(zhǎng)諧振，并且尺寸通常與該波長(zhǎng)成比例。隨著天線尺寸的減小，其與波長(zhǎng)有效諧振的能力會(huì)受到影響，從而導(dǎo)致信號(hào)強(qiáng)度降低和傳輸范圍減小。

減少帶寬：帶寬是指天線可以有效處理的頻率范圍。較小的天線由于其尺寸，通常具有更有限的帶寬。這意味著它們?cè)谌魏谓o定時(shí)間可以處理更少的數(shù)據(jù)，這可能會(huì)降低數(shù)據(jù)傳輸速率并妨礙設(shè)備的整體功能。

失諧的敏感性增加：在緊湊型設(shè)備中，天線距離其他組件更近。這種近距離可能會(huì)導(dǎo)致失諧，即由其他組件（尤其是金屬組件）的干擾引起的天線工作頻率的變化。

輻射方向圖受損：天線的輻射方向圖描述了其發(fā)射信號(hào)的方向和強(qiáng)度，也可能受到小型化的負(fù)面影響。較小的天線通常具有不太理想的輻射方向圖，這可能導(dǎo)致連接性較弱且不太可靠。

潛在的解決方案

針對(duì)這些挑戰(zhàn)有幾種潛在的解決方案：

片上系統(tǒng) (SoC)

SoC 將微控制器單元 (MCU) 和 RF 前端集成到一個(gè)硅芯片中。通過(guò)合并這兩種功能，SoC 可以很好地利用物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備內(nèi)部的有限空間。這種空間效率優(yōu)勢(shì)是物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備越來(lái)越多地圍繞無(wú)線 MCU 進(jìn)行設(shè)計(jì)的關(guān)鍵原因。

盡管有這些好處，SoC 并不能解決所有問(wèn)題：天線的物理尺寸仍然受到其工作頻率的波長(zhǎng)的限制，并且失諧（由附近組件引起的天線工作頻率的變化）仍然是一個(gè)重大問(wèn)題。

圖2 . 左邊是PCB天線，右邊是芯片天線。圖片由英飛凌提供

SoC 與 PCB 走線天線或芯片天線相結(jié)合

另一種潛在的解決方案是將 SoC 與 PCB 走線天線或芯片天線配對(duì)。

PCB 走線天線是一種其導(dǎo)體蝕刻在 PCB 表面上的天線（圖 2）。它們具有成本效益，但會(huì)占用相當(dāng)大的空間，從而導(dǎo)致物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備體積龐大。另一方面，芯片天線是更小的表面安裝元件，可以節(jié)省空間。然而，根據(jù)它們是否連接到接地層，它們可能需要大量的間隙區(qū)域。

在使用這些天線類型時(shí)，設(shè)計(jì)人員需要考慮各種因素來(lái)估計(jì)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的尺寸。其中包括天線所需的 PCB 尺寸、必要的間隙區(qū)域以及天線與設(shè)備外殼邊緣之間的距離。

然而，這種方法也有其自身的一系列挑戰(zhàn)。由于需要專門的射頻設(shè)計(jì)技能和設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)、測(cè)試和調(diào)諧，因此通常會(huì)導(dǎo)致更高的開(kāi)發(fā)成本。此外，還需要考慮認(rèn)證費(fèi)用。

因此，雖然將 SoC 與這些天線配對(duì)可以解決一些空間問(wèn)題，但需要仔細(xì)規(guī)劃，并且由于設(shè)計(jì)、測(cè)試和認(rèn)證要求，還可能增加上市時(shí)間。

系統(tǒng)級(jí)封裝 (SiP) 模塊

SiP 是一種將微控制器單元 (MCU)、射頻 (RF) 前端和天線等多個(gè)組件集成到單個(gè)封裝中的模塊。SiP 模塊具有 SoC 的緊湊性，同時(shí)還包含所有必要的無(wú)源組件，從而消除了工程師的射頻設(shè)計(jì)難題。

除了其緊湊性之外，SiP 模塊還獨(dú)特地解決了天線集成中臭名昭著的失諧問(wèn)題。這些模塊內(nèi)的天線布置設(shè)計(jì)為即使在靠近塑料外殼時(shí)也能發(fā)揮最佳性能。這種設(shè)計(jì)靈活性使工程師能夠?qū)?SiP 模塊放置在設(shè)備上的任何位置，這有助于減小設(shè)備的整體尺寸。

一切都與管理約束有關(guān)

將天線集成到小型物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的過(guò)程面臨著巨大的挑戰(zhàn)。這些困難主要源于設(shè)備尺寸的限制以及小型化對(duì)天線性能的負(fù)面影響。

已經(jīng)開(kāi)發(fā)出多種解決方案來(lái)在一定程度上應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)。

例如，將 SoC 與 PCB 走線或芯片天線相結(jié)合可以解決空間限制問(wèn)題。然而，由于設(shè)計(jì)、測(cè)試和認(rèn)證過(guò)程需要額外的時(shí)間，這種方法可能會(huì)延長(zhǎng)產(chǎn)品的上市時(shí)間。

SiP 為天線集成提供了更全面、更用戶友好的解決方案。這些現(xiàn)成的裝置配有集成天線，無(wú)需復(fù)雜的射頻設(shè)計(jì)。此外，它們還可以有效解決通常與緊湊型物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備相關(guān)的天線失諧問(wèn)題。

本文由EETOP編譯自allaboutcircuits

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