前言
隨著越來(lái)越多的設(shè)備以無(wú)線方式連接到Internet，電子工程師面臨許多挑戰(zhàn)，例如如何組裝無(wú)線電發(fā)射機(jī)以展現(xiàn)設(shè)備空間以及如何設(shè)計(jì)和制造尺寸越來(lái)越小的設(shè)備。此外，他們正在努力滿足客戶對(duì)符合人體工程學(xué)，適用的可訪問(wèn)性以及與環(huán)境和諧的物聯(lián)網(wǎng)（IoT）產(chǎn)品的需求。

在考慮物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品時(shí)，期望尺寸是最重要的考慮因素之一，此外，通常還要考慮無(wú)線電性能和價(jià)格。理想情況下，工程師更喜歡具有小尺寸，出色的RF（射頻）性能和低價(jià)格的IoT組件。但是，物聯(lián)網(wǎng)組件通常無(wú)法包含上述所有優(yōu)勢(shì)，因此解決方案提供商必須面對(duì)挑戰(zhàn)。

幸運(yùn)的是，由于電子行業(yè)不斷依賴全新的硅工藝技術(shù)，因此近年來(lái)見(jiàn)證了越來(lái)越小的硅芯片尺寸。通過(guò)將MCU（微程序控制單元）和RF前端集成到SoC（片上系統(tǒng)）結(jié)構(gòu)中，空間問(wèn)題已成功解決，用于IoT實(shí)施。但是，SoC的發(fā)展趨勢(shì)尚未解決與RF發(fā)射機(jī)（即天線）的物理結(jié)構(gòu)有關(guān)的問(wèn)題。我們通常將天線設(shè)計(jì)留給客戶，或建議他們選擇集成天線的易于使用的天線模塊。在設(shè)計(jì)小型物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備時(shí)，天線空間是我們必須面對(duì)的另一個(gè)挑戰(zhàn)。空間設(shè)計(jì)要求高效和可靠的無(wú)線連接能力。

為什么選擇SoC？

由于21 日世紀(jì)看到物聯(lián)網(wǎng)的初始蓬勃發(fā)展，被業(yè)界視為M2M（機(jī)器對(duì)機(jī)器）。促成物聯(lián)網(wǎng)互連的組件主要包括GPRS調(diào)制解調(diào)器，藍(lán)牙串行電纜或Sub-G無(wú)線電。所有設(shè)計(jì)都利用兩個(gè)領(lǐng)先的組件來(lái)實(shí)現(xiàn)連接：MCU和無(wú)線調(diào)制解調(diào)器。足以實(shí)現(xiàn)基本物聯(lián)網(wǎng)功能的最小空間為所有尺寸均為50mm，這意味著所有設(shè)備的尺寸僅相當(dāng)于手機(jī)的尺寸。

隨著硅行業(yè)不斷朝著將MCU和RF功能集成到一個(gè)芯片空間中的技術(shù)發(fā)展，開(kāi)發(fā)人員開(kāi)始擁抱更多機(jī)會(huì)。現(xiàn)在，他們可以在同一IC / SoC內(nèi)實(shí)現(xiàn)IoT設(shè)備的所有功能。由于無(wú)線MCU具有明顯的優(yōu)勢(shì)，因此IoT組件系統(tǒng)開(kāi)始向無(wú)線MCU轉(zhuǎn)換。因此，工程師能夠僅使用一種類型的組件來(lái)設(shè)計(jì)IoT設(shè)備并節(jié)省空間。此外，由于部件成本低，它們能夠降低成本。當(dāng)準(zhǔn)備選擇現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的結(jié)構(gòu)時(shí)，基于SoC的系統(tǒng)將因其尺寸優(yōu)勢(shì)而變得越來(lái)越流行。

然而，SoC的發(fā)展趨勢(shì)無(wú)法解決物理結(jié)構(gòu)問(wèn)題，即天線。

如何安排天線以及需要多少空間？

必須承認(rèn)，由于必須同時(shí)考慮尺寸和效率，天線必須面對(duì)多種尺寸的復(fù)雜性。由于BOM（物料清單）成本相對(duì)較低，因此通常通過(guò)PCB跟蹤來(lái)設(shè)計(jì)天線以進(jìn)行IoT設(shè)計(jì)。但是，PCB天線要求尺寸通常在25mm×15mm范圍內(nèi)的顯著要求，導(dǎo)致物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品的體積很大。當(dāng)將天線應(yīng)用于模塊中時(shí)，它們還具有另一個(gè)缺點(diǎn)，即它們對(duì)屏蔽材料造成的失諧非常敏感，因此在最終產(chǎn)品組裝過(guò)程中需要特別考慮以達(dá)到最佳工作狀態(tài)。在SoC設(shè)計(jì)中，作為常規(guī)設(shè)計(jì)的一部分，需要根據(jù)一些專門知識(shí)來(lái)獲得天線調(diào)諧。在設(shè)計(jì)中，

天線制造商長(zhǎng)期以來(lái)一直提供“芯片天線”，以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)工作。此外，這種天線在尺寸方面具有優(yōu)勢(shì)。天線此類別通過(guò)以下途徑主要提供：

一。天線未與GND耦合。這種類型的天線要求具有較大尺寸的間隙范圍。這種天線的典型示例包括單極天線和F型F天線。

b。天線與GND耦合。這種類型的天線僅需要提供相對(duì)較小的凈空范圍，或者根本不需要天線。

兩種類型的天線均具有電氣間隙范圍或接地平面，以及PCB尺寸方面的空間要求。IoT設(shè)計(jì)中RF組件所調(diào)用的空間還應(yīng)該包括必要的間隙范圍，因?yàn)槿魏谓M件或跡線都不得留在此處，這意味著在設(shè)計(jì)人員估算IoT設(shè)備的尺寸時(shí)，應(yīng)注意PCB尺寸和間隙范圍與天線。此外，天線和屏蔽邊緣之間應(yīng)保持一定的空間。

當(dāng)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備設(shè)計(jì)成紐扣電池大小時(shí)，天線效率肯定會(huì)受到損害。當(dāng)我們嘗試減小其尺寸時(shí)，實(shí)現(xiàn)RF性能的效率將隨之降低。只有在2.4GHz頻率下，才能實(shí)現(xiàn)所有尺寸小于10mm的設(shè)備的性能。例如，可以向手機(jī)用戶提供10米以上的藍(lán)牙連接，這被大多數(shù)人接受。

但是，當(dāng)所有方向的尺寸都接近20mm時(shí)，RF效率將大大提高。當(dāng)接近40mm時(shí)，實(shí)現(xiàn)接地調(diào)整的眾多天線的高效率將攀升至最高。

此后意味著，根據(jù)藍(lán)牙4.2協(xié)議，兩個(gè)等效設(shè)備之間的通信距離應(yīng)在60mm至400mm的范圍內(nèi)。一旦應(yīng)用了15.4協(xié)議（例如Zigbee），可視范圍內(nèi)的最長(zhǎng)通信距離就可以達(dá)到500米或以上。因此，設(shè)計(jì)人員需要根據(jù)應(yīng)用和目標(biāo)尺寸的差異來(lái)平衡PCB尺寸以及天線的性能和效率，因?yàn)榇蠖鄶?shù)芯片天線都將PCB接地層視為天線配置的一部分。此外，天線/模塊的位置在設(shè)計(jì)階段也起著關(guān)鍵作用，因此設(shè)計(jì)人員需要考慮間隙范圍以實(shí)現(xiàn)模塊的最佳接地。