Overwegingen bij het ontwerpen van antennes bij IoT-ontwerp

Naarmate meer en meer apparaten draadloos met internet zijn verbonden, worden elektronische ingenieurs geconfronteerd met tal van uitdagingen, zoals het maken van een radiozender die wordt geassembleerd om ruimte voor apparatuur te bieden en het ontwerpen en vervaardigen van apparaten met steeds kleinere afmetingen. Bovendien streven ze ernaar om te voldoen aan de eisen van klanten aan IoT-producten (Internet of Things) die compatibel zijn met ergonomie, toepasbare toegankelijkheid en harmonie met de omgeving.

Wanneer IoT-producten worden overwogen, is de verwachting van de grootte een van de belangrijkste overwegingen, behalve dat radio-eigenschappen en prijs ook vaak worden overwogen. Idealiter geven ingenieurs de voorkeur aan IoT-componenten met een klein formaat, uitstekende RF-prestaties (radiofrequentie) en lage prijzen. IoT-componenten bevatten echter meestal niet alle bovengenoemde voordelen, dus leveranciers van oplossingen moeten met uitdagingen worden geconfronteerd.

Gelukkig, aangezien de elektronica-industrie voortdurend afhankelijk is van totaal nieuwe siliciumprocestechnologie, zijn de afgelopen jaren getuige geweest van steeds kleinere siliciumchips. Door MCU (microprogrammed control unit) en RF-front-end te integreren in de SoC-structuur (system on chip), is het ruimteprobleem voor IoT-implementatie met succes opgelost. De ontwikkelingstrend naar SoC heeft het probleem met betrekking tot de fysieke structuur van de RF-zender, dat wil zeggen de antenne, echter niet opgelost. Het ontwerpen van antennes laten we meestal aan klanten over of adviseren ze om een ​​gebruiksvriendelijke antennemodule met geïntegreerde antenne aan te schaffen. Ruimte voor antennes is een andere uitdaging waarmee we worden geconfronteerd bij het ontwerpen van kleine IoT-apparaten. Ruimteontwerp vereist een hoge efficiëntie en betrouwbare draadloze verbinding.

Waarom SoC?

Als 21 ^st eeuw zag de eerste bloei van IoT, werd de industrie beschouwd als M2M (machine to machine). De componenten die bijdragen aan IoT-interconnectie omvatten voornamelijk GPRS-modem, Bluetooth seriële kabel of Sub-G-radio. Alle ontwerpen profiteren van twee toonaangevende componenten voor het bereiken van verbinding:MCU en draadloze modem. De minimale ruimte die voldoende is voor de implementatie van fundamentele IoT-functies, is 50 mm in alle dimensies, wat betekent dat de grootte van alle apparaten net die van een mobiele telefoon is.

Naarmate de siliciumindustrie consequent op weg is naar de technologie die MCU- en RF-functies integreert in de ruimte van één chip, beginnen ontwikkelaars meer kansen te omarmen. Nu kunnen ze alle functies van IoT-apparaten binnen dezelfde IC/SoC realiseren. Omdat draadloze MCU duidelijke voordelen biedt, begint het IoT-componentensysteem zich te converteren naar draadloze MCU. Als gevolg hiervan kunnen ingenieurs IoT-apparaten ontwerpen met slechts één type componenten en ruimte besparen. Bovendien zijn ze in staat om de kosten te verlagen vanwege de lage kosten van componenten. Aangezien de structuren van moderne IoT-apparaten klaar zijn om te worden geselecteerd, zullen systemen op basis van SoC populairder zijn vanwege de voordelen in grootte.

Desalniettemin lost de ontwikkelingstrend naar SoC het fysieke structuurprobleem, dat wil zeggen antenne, niet op.

Hoe de antenne te plaatsen en hoeveel ruimte is er nodig?

Toegegeven moet worden dat antennes geconfronteerd worden met complexiteit op meerdere dimensies, aangezien zowel de grootte als de efficiëntie in overweging moeten worden genomen. Omdat de BOM-kosten (bill of material) relatief laag zijn, is het gebruikelijk dat de antenne wordt ontworpen via PCB-tracering voor IoT-ontwerp. De PCB-antenne vraagt ​​echter om een ​​opmerkelijke grootte-eis die meestal binnen het bereik van 25 mm × 15 mm ligt, waardoor het volume van het IoT-product groot is. De antennes hebben ook een ander nadeel wanneer ze in modules worden toegepast, dat wil zeggen dat ze erg gevoelig zijn voor ontstemming als gevolg van schildmateriaal en dat er specifiek rekening mee moet worden gehouden in het proces van de uiteindelijke productassemblage om de optimale werktoestand te bereiken. In SoC-ontwerp, als onderdeel van gewoon ontwerp, wordt antenneafstemming verkregen afhankelijk van enige gespecialiseerde kennis. In de ontwerpen is er geen verschil tussen PCB-antenne en andere antenne.

Antennefabrikanten leveren al lang "chipantenne" om het ontwerpwerk te vereenvoudigen. Bovendien heeft dit type antenne voordelen qua formaat. Deze categorie antennes wordt voornamelijk op de volgende manieren geleverd:
a. Antenne ontkoppeld met GND. Dit type antenne vraagt ​​om een ​​vrij bereik met relatief grote afmetingen. Typische voorbeelden van dit type antenne zijn een unipoolantenne en flip-F-antenne.
b. Antenne gekoppeld aan GND. Dit type antenne hoeft slechts een relatief klein afstandsbereik te bieden of heeft helemaal geen antenne nodig.

Beide typen antennes hebben een vrijloopbereik of aardingsvlak en benodigde ruimte in termen van PCB-afmetingen. De ruimte die door RF-componenten in IoT-ontwerp wordt genoemd, moet ook het noodzakelijke vrije ruimtebereik omvatten, aangezien elk onderdeel of spoor hier niet mag worden achtergelaten, wat betekent dat wanneer ontwerpers de grootte van IoT-apparatuur schatten, de PCB-grootte en het vrije ruimtebereik compatibel moeten zijn met antenne. Bovendien moet er een bepaalde ruimte worden aangehouden tussen antenne en schermrand.

Wanneer IoT-apparaten zijn ontworpen om de grootte van een knoopcel te hebben, wordt de efficiëntie van de antenne zeker beschadigd. Wanneer we proberen om de grootte kleiner te maken, zal de efficiëntie om RF-prestaties te bereiken daarna worden verminderd. De prestaties van apparaten met minder dan 10 mm in alle dimensies worden pas bereikt bij een frequentie van 2,4 GHz. Een Bluetooth-verbinding van meer dan 10 meter kan bijvoorbeeld worden geleverd aan gebruikers van mobiele telefoons, wat door de meerderheid wordt geaccepteerd.

Wanneer de grootte in alle richtingen echter 20 mm nadert, zal de efficiëntie van RF dramatisch toenemen. Wanneer het 40 mm nadert, zal het hoge rendement van talrijke antennes met bereikte aardingsafstemming naar het hoogste stijgen.

Dat betekent daarna dat de communicatieafstand tussen twee gelijkwaardige apparaten in het bereik van 60 mm tot 400 mm moet liggen in overeenstemming met het Bluetooth 4.2-protocol. Zodra het 15.4-protocol (bijvoorbeeld zigbee) is toegepast, kan de langste communicatieafstand binnen een visueel bereik 500 meter of meer bedragen. Ontwerpers moeten dus de PCB-grootte en prestaties en efficiëntie van de antenne in evenwicht brengen op basis van verschillen in toepassingen en beoogde grootte, omdat de meeste chipantennes allemaal het PCB-aardingsvlak beschouwen als een sectie van de antenneconfiguratie. Bovendien speelt de positie van de antenne/module ook een sleutelrol in de ontwerpfase, zodat ontwerpers rekening moeten houden met het vrije bereik om een ​​optimale aarding van de module te bereiken.