Überlegungen zum Antennendesign im IoT-Design

Da immer mehr Geräte drahtlos mit dem Internet verbunden werden, werden Elektronikingenieure mit vielen Herausforderungen konfrontiert, wie z. B. wie man Funksender zusammenbaut, um Geräteraum zu präsentieren, und wie man Geräte mit immer kleineren Größen entwirft und herstellt. Darüber hinaus sind sie bestrebt, die Anforderungen der Kunden an IoT-Produkte (Internet of Things) zu erfüllen, die mit Ergonomie, anwendbarer Zugänglichkeit und Harmonie mit der Umwelt kompatibel sind.

Wenn IoT-Produkte in Betracht gezogen werden, ist die Größenerwartung eine der wichtigsten Überlegungen, abgesehen von den Funkeigenschaften und dem Preis, die üblicherweise berücksichtigt werden. Idealerweise bevorzugen Ingenieure IoT-Komponenten mit geringer Größe, hervorragender HF-Leistung (Radio Frequency) und niedrigen Preisen. IoT-Komponenten enthalten jedoch in der Regel nicht alle oben genannten Vorteile, sodass Lösungsanbieter vor Herausforderungen gestellt werden.

Da die Elektronikindustrie ständig von völlig neuen Silizium-Prozesstechnologien abhängig ist, haben die letzten Jahre glücklicherweise eine immer kleinere Größe von Siliziumchips erlebt. Durch die Integration von MCU (mikroprogrammierte Steuereinheit) und HF-Frontend in die SoC-Struktur (System on Chip) wurde das Platzproblem für die IoT-Implementierung erfolgreich gelöst. Der Entwicklungstrend in Richtung SoC hat jedoch das Problem der physikalischen Struktur des HF-Senders, dh der Antenne, nicht gelöst. In der Regel überlassen wir das Antennendesign den Kunden oder raten ihnen zu einem einfach zu bedienenden Antennenmodul mit integrierter Antenne. Platz für Antennen ist eine weitere Herausforderung, der wir uns bei der Entwicklung kleiner IoT-Geräte stellen müssen. Raumdesign verlangt nach hoher Effizienz und zuverlässiger drahtloser Verbindungsmöglichkeit.

Warum SoC?

Als 21 ^st Jahrhunderts erlebte das IoT seine erste Blütezeit, die Branche galt als M2M (Machine to Machine). Zu den Komponenten, die zur IoT-Verbindung beitragen, gehören hauptsächlich GPRS-Modem, serielles Bluetooth-Kabel oder Sub-G-Funk. Alle Designs nutzen zwei führende Komponenten für die Herstellung der Verbindung:MCU und drahtloses Modem. Der Mindestraum, der für die Implementierung grundlegender IoT-Funktionen ausreicht, liegt bei 50 mm in allen Dimensionen, was bedeutet, dass die Größe aller Geräte gerade die eines Mobiltelefons ist.

Da sich die Siliziumindustrie konsequent in Richtung der Technologie bewegt, die MCU- und HF-Funktionen in den Raum eines Chips integriert, beginnen Entwickler, mehr Möglichkeiten zu nutzen. Jetzt können sie alle Funktionen von IoT-Geräten innerhalb desselben IC/SoC erreichen. Da drahtlose MCU offensichtliche Vorteile bietet, beginnt sich das IoT-Komponentensystem auf drahtlose MCU umzustellen. Dadurch sind Ingenieure in der Lage, IoT-Geräte mit nur einer Art von Komponenten zu entwerfen und Platz zu sparen. Darüber hinaus sind sie in der Lage, die Kosten aufgrund der geringen Kosten der Komponenten zu reduzieren. Da die Strukturen moderner IoT-Geräte zur Auswahl bereitstehen, werden auf SoC basierende Systeme aufgrund des Größenvorteils immer beliebter.

Dennoch löst der Entwicklungstrend in Richtung SoC das Problem der physikalischen Struktur, dh der Antenne, nicht.

Wie wird die Antenne angeordnet und wie viel Platz wird benötigt?

Es muss zugegeben werden, dass sich die Antenne einer Komplexität in mehreren Dimensionen stellen muss, da sowohl Größe als auch Effizienz berücksichtigt werden müssen. Da die BOM-Kosten (Bill of Material) relativ niedrig sind, ist es üblich, dass die Antenne durch PCB-Tracing für das IoT-Design entwickelt wird. PCB-Antennen erfordern jedoch eine bemerkenswerte Größe, die normalerweise im Bereich von 25 mm × 15 mm liegt, was dazu führt, dass das Volumen von IoT-Produkten groß wird. Einen weiteren Nachteil weisen die Antennen beim Einsatz in Modulen auf, nämlich dass sie sehr empfindlich gegen Verstimmungen durch Schirmmaterial sind und bei der Endmontage der Produkte gezielt berücksichtigt werden müssen, um den optimalen Betriebszustand zu erreichen. Beim SoC-Design wird die Antennenabstimmung als Teil des gewöhnlichen Designs in Abhängigkeit von einigen Fachkenntnissen erreicht. Bei den Designs gibt es keinen Unterschied zwischen PCB-Antenne und anderen Antennen.

Antennenhersteller stellen seit langem "Chipantennen" bereit, um die Entwurfsarbeit zu vereinfachen. Außerdem weist dieser Antennentyp Vorteile hinsichtlich der Größe auf. Diese Kategorie von Antennen wird hauptsächlich auf folgende Weise bereitgestellt:
a. Antenne mit GND entkoppelt. Diese Art von Antenne erfordert einen relativ großen Abstandsbereich. Typische Beispiele für diesen Antennentyp sind Unipolantennen und Flip-F-Antennen.
b. Antenne mit GND gekoppelt. Dieser Antennentyp muss nur eine relativ kleine Reichweite bieten oder benötigt überhaupt keine Antenne.

Beide Antennentypen verfügen über einen Freiraum oder eine Erdungsebene und einen Platzbedarf in Bezug auf die PCB-Größe. Der Platz, der von HF-Komponenten im IoT-Design beansprucht wird, sollte auch den erforderlichen Freiraum enthalten, da hier keine Komponente oder Spur verbleiben darf, was bedeutet, dass bei der Schätzung der Größe von IoT-Geräten durch Designer die PCB-Größe und der Freiraum kompatibel sein sollten Antenne. Außerdem sollte zwischen Antenne und Schirmrand ein gewisser Abstand eingehalten werden.

Wenn IoT-Geräte auf die Größe einer Knopfzelle ausgelegt sind, wird die Antenneneffizienz definitiv beeinträchtigt. Wenn wir versuchen, seine Größe kleiner zu machen, wird die Effizienz zum Erreichen einer HF-Leistung danach reduziert. Die Leistung von Geräten mit weniger als 10 mm in allen Abmessungen wird erst bei einer Frequenz von 2,4 GHz erreicht. Beispielsweise kann Mobiltelefonbenutzern eine Bluetooth-Verbindung über 10 Meter bereitgestellt werden, was von der Mehrheit akzeptiert wird.

Wenn sich jedoch die Größe in allen Richtungen 20 mm nähert, wird die HF-Effizienz dramatisch erhöht. Wenn er sich 40 mm nähert, wird der hohe Wirkungsgrad zahlreicher Antennen mit erreichter Erdungsabstimmung am höchsten steigen.

Das bedeutet danach, dass die Kommunikationsentfernung zwischen zwei gleichwertigen Geräten gemäß dem Bluetooth 4.2-Protokoll im Bereich von 60 mm bis 400 mm liegen sollte. Sobald das 15.4-Protokoll (z. B. Zigbee) angewendet wird, kann die längste Kommunikationsentfernung innerhalb eines Sichtbereichs 500 Meter oder mehr erreichen. Daher müssen Designer die PCB-Größe und die Leistung und Effizienz der Antenne basierend auf den Unterschieden der Anwendungen und der angestrebten Größe ausbalancieren, da die meisten Chipantennen alle die PCB-Erdungsebene als einen Abschnitt der Antennenkonfiguration betrachten. Darüber hinaus spielt die Position der Antenne/des Moduls auch eine Schlüsselrolle in der Designphase, sodass Designer den Freiraum berücksichtigen müssen, um eine optimale Erdung des Moduls zu erreichen.