將天線集成到小型物聯網設備中的挑戰
2023-08-21 13:13:44 EETOP編譯自allaboutcircuits為緊湊型物聯網設備設計天線是一項棘手的任務，但其重要性與日俱增。接下來讓我們了解有關這一挑戰以及如何應對的更多信息。
物聯網（IoT）是一種模式轉變的技術趨勢，在這種趨勢下，從冰箱到手表等日常物品都變成了具有互聯網連接功能的智能設備。這些物體可以相互共享數據，從而使日常生活的許多方面實現自動化并得到提升。
天線在這些設備中起著舉足輕重的作用。天線是一種將電磁輻射轉換為電流的裝置，反之亦然。這一功能對于物聯網設備以無線方式相互通信和交換數據至關重要，從而促進了物聯網的互聯性。
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網設備（圖 1）中是一項重大挑戰。
在物聯網世界中，消費者渴望緊湊、不引人注目的設備，而制造商也努力遵守。這些尺寸限制對天線集成構成了重大障礙。
天線的工作原理是在特定頻率上產生諧振，其尺寸通常與設計工作頻率的波長成正比。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，而這種尺寸對于緊湊型物聯網設備來說往往是不可行的。
小型物聯網設備內的空間非常擁擠，這給天線集成帶來了復雜的任務。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揮作用。這些組件可能會干擾天線的運行，影響其性能，并最終影響設備的功能。
例如，電池的金屬外殼通常是緊湊型物聯網設備中最大的組件，它可以通過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，削弱設備的連接性。
類似地，處理器，特別是那些在高頻下運行的處理器，會產生大量的電磁噪聲。當天線靠近時，它會拾取這種噪聲，從而干擾其信號的接收和傳輸。
小型化導致天線性能降低
物聯網設備越來越趨向于小型化、緊湊化，這對設備的便攜性和時尚性來說是件好事，但對天線的性能卻有不利影響。隨著這些設備越來越小，其中的天線也需要縮小。尺寸的縮小會對天線工作的許多重要特性產生負面影響。
小型化對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諧振，并且尺寸通常與該波長成比例。隨著天線尺寸的減小，其與波長有效諧振的能力會受到影響，從而導致信號強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。這意味著它們在任何給定時間可以處理更少的數據，這可能會降低數據傳輸速率并妨礙設備的整體功能。
失諧的敏感性增加：在緊湊型設備中，天線距離其他組件更近。這種近距離可能會導致失諧，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射信號的方向和強度，也可能受到小型化的負面影響。較小的天線通常具有不太理想的輻射方向圖，這可能導致連接性較弱且不太可靠。
針對這些挑戰有幾種潛在的解決方案：
SoC 將微控制器單元 (MCU) 和 RF 前端集成到一個硅芯片中。通過合并這兩種功能，SoC 可以很好地利用物聯網設備內部的有限空間。這種空間效率優勢是物聯網設備越來越多地圍繞無線 MCU 進行設計的關鍵原因。
盡管有這些好處，SoC 并不能解決所有問題：天線的物理尺寸仍然受到其工作頻率的波長的限制，并且失諧（由附近組件引起的天線工作頻率的變化）仍然是一個重大問題。
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。
PCB 走線天線是一種其導體蝕刻在 PCB 表面上的天線（圖 2）。它們具有成本效益，但會占用相當大的空間，從而導致物聯網設備體積龐大。另一方面，芯片天線是更小的表面安裝元件，可以節省空間。然而，根據它們是否連接到接地層，它們可能需要大量的間隙區域。
在使用這些天線類型時，設計人員需要考慮各種因素來估計物聯網設備的尺寸。其中包括天線所需的 PCB 尺寸、必要的間隙區域以及天線與設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。由于需要專門的射頻設計技能和設備進行設計、測試和調諧，因此通常會導致更高的開發成本。此外，還需要考慮認證費用。
因此，雖然將 SoC 與這些天線配對可以解決一些空間問題，但需要仔細規劃，并且由于設計、測試和認證要求，還可能增加上市時間。
SiP 是一種將微控制器單元 (MCU)、射頻 (RF) 前端和天線等多個組件集成到單個封裝中的模塊。SiP 模塊具有 SoC 的緊湊性，同時還包含所有必要的無源組件，從而消除了工程師的射頻設計難題。
除了其緊湊性之外，SiP 模塊還獨特地解決了天線集成中臭名昭著的失諧問題。這些模塊內的天線布置設計為即使在靠近塑料外殼時也能發揮最佳性能。這種設計靈活性使工程師能夠將 SiP 模塊放置在設備上的任何位置，這有助于減小設備的整體尺寸。
將天線集成到小型物聯網設備的過程面臨著巨大的挑戰。這些困難主要源于設備尺寸的限制以及小型化對天線性能的負面影響。
已經開發出多種解決方案來在一定程度上應對這些挑戰。
例如，將 SoC 與 PCB 走線或芯片天線相結合可以解決空間限制問題。然而，由于設計、測試和認證過程需要額外的時間，這種方法可能會延長產品的上市時間。
SiP 為天線集成提供了更全面、更用戶友好的解決方案。這些現成的裝置配有集成天線，無需復雜的射頻設計。此外，它們還可以有效解決通常與緊湊型物聯網設備相關的天線失諧問題。
關鍵詞： 物聯網
