將天線嵌入蜂窩物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)

無論在蜂窩物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的硬軟件設(shè)計(jì)上投入了多少創(chuàng)新，如果天線不能正常工作，產(chǎn)品將毫無用處。天線產(chǎn)生電壓和電流，從而產(chǎn)生電磁發(fā)射（無線電）波；而在接收一方，也是由天線在接收到無線電入射波后產(chǎn)生電壓和電流，并由接收器提取。優(yōu)化天線的效率，可以確保天線盡可能將發(fā)射功率轉(zhuǎn)換為無線電輻射能量，同時(shí)接收端的天線也能從入射信號(hào)中獲取盡可能多的能量，以供接收器使用。這在很大程度上決定了蜂窩設(shè)備的覆蓋范圍和吞吐量。更具挑戰(zhàn)性的是，蜂窩物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品會(huì)使用多個(gè)頻率的無線電。例如，NordicThingy:91蜂窩物聯(lián)網(wǎng)原型平臺(tái)集成了nRF9160SiP，它包括可以在700MHz~2200MHz間多個(gè)可配置頻帶內(nèi)運(yùn)行的LTE-M/NB-IoT，1227MHz和1575MHz的GPS，以及nRF52840SoC（在2.4GHz運(yùn)行的低功耗藍(lán)牙）。很多蜂窩物聯(lián)網(wǎng)解決方案還包括Wi-Fi（2.4GHz和5GHz）。這種傳統(tǒng)設(shè)計(jì)意味著需要將幾個(gè)不同的笨重天線（以及它們的電路）集成到一個(gè)產(chǎn)品中。幸運(yùn)的是，現(xiàn)代的芯片天線元件提供了優(yōu)質(zhì)解決方案，其緊湊設(shè)計(jì)可以應(yīng)對(duì)不同無線電所需的多個(gè)頻率。例如，Thingy:91采用了單一天線用于平臺(tái)的LTE-M/NB-IoT和GPS無線電，而尺寸僅30mm×3mm×1mm（另有一個(gè)單獨(dú)天線用于Thingy:91的2.4GHz無線電）。但是即使使用這些智能芯片天線，也存在一些靈敏度方面的不足。這使得設(shè)計(jì)者必須遵循一些重要的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，以最大限度提高天線的效率和整體頻率響應(yīng)。天線的安放位置現(xiàn)代芯片天線性能提升的秘密，在于這個(gè)天線本身只是天線系統(tǒng)的一部分。完整的天線系統(tǒng)包括芯片天線、印刷電路板地層和天線匹配電路。系統(tǒng)各部分的設(shè)計(jì)直接影響系統(tǒng)整體效率。芯片天線制造商，如Nordic的設(shè)計(jì)合作伙伴Ignion，具有將天線效率最大化用于短距離無線電和蜂窩物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用方面的特色。該公司還為單頻帶、雙頻帶和多頻帶系統(tǒng)提供了另外的解決方案。了解最終產(chǎn)品的預(yù)期運(yùn)行頻帶，就可以相對(duì)簡單地從天線類別中縮小可選適用芯片天線的范圍。一旦選擇了芯片天線，下一步就是考慮地層。地層的面積對(duì)天線效率影響較大。例如，在900MHz運(yùn)行頻率下，通過同類比較，一個(gè)10cm2的地層可能有30%的效率，而一個(gè)40cm2的地層可能將效率提高到60%。在最終產(chǎn)品尺寸外形的限制下，良好的設(shè)計(jì)結(jié)果是使用盡可能大的印刷電路板，將完整的一層用于地層。（隨著頻率提高，地層的面積對(duì)天線效率影響減少。）接下來，重點(diǎn)考慮的是將芯片天線安裝到印刷電路板的哪個(gè)位置。把天線安裝到設(shè)備的角落是一個(gè)好的選擇。同樣重要的是，芯片天線應(yīng)盡量遠(yuǎn)離其他可能在運(yùn)行過程中產(chǎn)生輻射能量的有源器件。對(duì)于蜂窩物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的典型傳輸功率水平，與其他元器件之間存在最小20mm的凈空區(qū)域即可。地層應(yīng)在凈空區(qū)域之外。凈空區(qū)域的唯一導(dǎo)體是將芯片天線連接到電路其余部分的印刷電路板焊盤。天線應(yīng)遠(yuǎn)離外殼螺絲、支架和其他金屬部件。盡量減少損耗天線系統(tǒng)設(shè)計(jì)最重要的部分可能是匹配電路。匹配電路位于芯片天線和收發(fā)器之間。其目的是在物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備發(fā)射時(shí)，限制從天線反射的能量，這稱為電壓駐波比（VSWR）。將天線阻抗轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)阻抗——通常是50Ω，能量反射或VSWR便會(huì)被降至最低。匹配網(wǎng)絡(luò)通常包括電感和電容，該網(wǎng)絡(luò)將收發(fā)器“看到”的阻抗轉(zhuǎn)換為天線預(yù)定頻帶。使用高品質(zhì)因數(shù)（Q）和緊密公差的匹配網(wǎng)絡(luò)元件將有利于提高性能。設(shè)計(jì)匹配網(wǎng)絡(luò)是個(gè)挑戰(zhàn)。關(guān)鍵在于不僅要設(shè)計(jì)合適的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，還要選擇合適的電感和電容值來轉(zhuǎn)換所需的阻抗。對(duì)于單個(gè)運(yùn)行頻帶（例如2.4GHz），設(shè)計(jì)相對(duì)簡單，但對(duì)于在多個(gè)頻帶運(yùn)行的蜂窩物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品，匹配電路便會(huì)復(fù)雜得多。匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)應(yīng)盡可能接近天線（同時(shí)保持凈空區(qū)域），以此減小連接焊盤的長度。對(duì)于收發(fā)器和天線之間必有一條傳輸線的情況，則確保將其阻抗設(shè)計(jì)成50Ω。這最大限度上減少了布線阻抗不匹配，也降低了作為微型天線的線路擾亂系統(tǒng)效率的可能性。雖然也有可能為多頻帶設(shè)備設(shè)計(jì)單一的匹配網(wǎng)絡(luò)，但情況可能并非如此，尤其是對(duì)地層面積小的小型設(shè)備而言。一種思路是設(shè)計(jì)匹配網(wǎng)絡(luò)使其能很好地適應(yīng)每個(gè)預(yù)期運(yùn)行頻帶，并根據(jù)需要進(jìn)行切換。由于每個(gè)網(wǎng)絡(luò)只需要滿足單個(gè)頻帶的需求，它通?？梢杂蓭讉€(gè)元器件組成，使其相對(duì)便宜且緊湊。例如，NordicThingy:91為各種LTE-M/NB-IoT頻帶和低功耗藍(lán)牙提供了5個(gè)匹配網(wǎng)絡(luò)，并為GPS信號(hào)提供了進(jìn)一步的匹配網(wǎng)絡(luò)（該網(wǎng)絡(luò)還包括LNA，以增強(qiáng)nRF9160的GPS輸入信號(hào)）。網(wǎng)絡(luò)之間的切換由nRF9160SiP的ArmCortexM-33應(yīng)用處理器控制。測試天線系統(tǒng)最終設(shè)計(jì)必須經(jīng)過測試，以確保它不僅展現(xiàn)預(yù)測的輻射效率，而且?guī)缀跏侨蛐缘模ㄔ谒蟹较蛏习l(fā)射和接收）。第一個(gè)測試可以將50Ω微同軸電纜連接到天線，在印刷電路板上的三或四個(gè)點(diǎn)接地，并將電纜連接到網(wǎng)絡(luò)分析儀上。測試結(jié)果不僅能反映效率，還能反映頻率響應(yīng)和帶寬。該測試通常顯示是否需要對(duì)匹配的網(wǎng)絡(luò)元件進(jìn)行調(diào)整。蜂窩物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備性能的最終檢查應(yīng)在消聲室進(jìn)行。這是對(duì)設(shè)計(jì)的最終測試，通常會(huì)揭示效率和全向性性能的缺陷，這些缺陷是網(wǎng)絡(luò)分析儀測試無法發(fā)現(xiàn)的，并且需要修改芯片天線的選擇、重新設(shè)計(jì)地面層和凈空區(qū)域和/或匹配網(wǎng)絡(luò)調(diào)優(yōu)。即使使用已被證實(shí)的開發(fā)技術(shù)，天線設(shè)計(jì)也存在挑戰(zhàn)，經(jīng)常需要反復(fù)測試設(shè)計(jì)性能，優(yōu)化布局。此外，小型天線效率極低，人盡皆知。如果設(shè)計(jì)效率達(dá)到了50%到60%，那么設(shè)計(jì)師就做得不錯(cuò)了。對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行進(jìn)一步徹底審查總是值得的，通常也會(huì)有改善。NordicThingy:91使用Ignion虛擬天線。注意印刷電路板右上角芯片天線（紅色）