將天線嵌入蜂巢式物聯網設計中

作者 : Nordic Semiconductor供稿

只要依照一些簡單的設計指引,就能以精巧的天線支援蜂巢式物聯網產品的多個射頻…

無論導入多少創新於蜂巢式物聯網(cellular IoT)裝置的硬體及軟體設計中,如果天線無法順利地運作,那麼整個產品就形同虛設。

天線的作用是產生電壓和電流,藉此產生需要發送的電磁(無線電)波;同樣地,產品接收到的射頻(RF)電波也是利用天線來產生電壓和電流,並由接收器加以擷取。藉由提升天線的效率,可以將最多的發送器功率轉換成發送出去的RF能量,接收方的天線也要盡可能地接收到訊號,並且將最多的能量傳送給接收器。這樣的過程,就是決定蜂巢式裝置涵蓋範圍及其傳輸速率的關鍵。

更具挑戰之處在於蜂巢式物聯網產品使用多個頻率的RF訊號。以Nordic Thingy:91蜂巢式物聯網原型平台為例:該裝置具備 nRF9160 SiP,結合運作於700-2200MHz之間多頻段的LTE-M/NB-IoT、1227與1575MHz的GPS,以及nRF52840 SoC  (作業於2.4GHz的低功耗藍牙)。蜂巢式物聯網解決方案中同時包含Wi-Fi (2.4及5GHz)也很常見。若依照傳統的設計,這代表需要將多種不同的大型天線(及其電路)結合到同一產品中。

所幸近期推出的晶片天線元件具有輕巧的設計,而且可以處理不同RF所使用的多種頻率,因而能提供非常優異的解決方案。Thingy:91以單一天線用於平台上的LTE-M/NB-IoT以及GPS RF,而其尺寸只有30×3×1mm。(另一支天線用於Thingy:91上的 2.4GHz RF)然而,即使有了這些智慧型晶片天線,靈敏度方面還是有所妥協。因此設計人員必須遵照一些重要的設計指引,以便讓天線具備最高效率以及最大的整體頻率響應。

天線的裝配位置

讓最新推出的晶片天線發揮其效能的秘訣,就在於天線本身只是天線系統中的一部份。一整套天線系統中其實包含了晶片天線、電路板(PCB)接地層,以及天線匹配電路。系統中每一個零件的設計都直接影響到其整體效率。

例如Nordic的設計合作夥伴——晶片天線製造商Ignion具備專業知識,得以讓短距離RF以及蜂巢式物聯網應用所使用的天線發揮最大效能。該公司並提供單頻段、雙頻段以及多頻段系統所使用的各種替代解決方案。也由於對終端產品預期使用的操作頻段有深入的了解,因而能較輕易地從整個產品線中鎖定合適型號,以及挑選出適合的晶片天線。

一旦選定了晶片天線之後,下一步就是考慮接地層。接地層的尺寸對於天線的效率具有較大影響。舉例而言,在900MHz的操作頻率下以同型的產品應用來比較, 10cm2 的接地層可能發揮30%效率,而40cm2 的接地層則可將效率提升到60%。在終端產品的整體尺寸外形限制下,最好的設計方式就是盡量使用最大面積的PCB,然後讓出一塊區域專門給接地層使用。(隨著頻率越來越高,接地層的尺寸對於天線效率的影響會越來越小。)

接著,另一個重要考量是要將晶片天線放在PCB的哪一個位置。最好的設計建議是將天線放置在裝置的角落。同樣重要的是讓晶片天線盡量遠離作業期間會發射能量的其他主動式元件。對於具有一般發送功率的蜂巢式物聯網裝置而言,與其他元件只要有最小20mm的淨空距離就足夠了。接地層不能被放置在此需要被淨空的區域內。在這個淨空區域內唯一會出現的導體,只能是PCB上用來連接晶片天線與其他電路的觸點和導線。另一個比較好的做法是讓天線遠離固定外殼用的螺絲、支架,以及其他金屬零件。

Ignion TRIO mXTEND虛擬天線可用於蜂巢式RF頻段、GPSGLONASS北斗等系統使用的GNSS頻段以及低功耗藍牙Wi-Fi等短距離無線頻段。

讓損耗降至最低

在天線系統設計中,最重要的部份或許就是匹配電路。匹配電路位於晶片天線和收發器之間。其目的是為了在物聯網裝置發送訊號時,抑制從天線反射回來的能量或稱為電壓駐波比(VSWR)的情況。

能量反射或是VSWR的情況,都可以藉由將天線的阻抗調節成系統阻抗(通常在50Ω)而降至最低。匹配網路通常是一個包含電感和電容的網路,透過這個網路來調節收發器在此頻段下「透視」到天線中的阻抗。如果所使用的匹配網路元件具有高品質係數(Q)以及很小的變異量,就可以提升整體的效能。

匹配網路的設計作業非常具有挑戰性。其的重點不僅在於設計適當的電路佈局方式,同時還要挑選適合的電感和電容值,以便調整成所需要的阻抗。對於只使用一種操作頻段(例如2.4GHz)的情況,其設計相對單純;但對於在多個頻段下操作的蜂巢式物聯網產品,匹配電路的設計就變得複雜許多。

匹配網路應當盡量放置在天線旁邊(同時保持淨空區域),以便讓連接導線的長度縮到最短。如果在收發器和天線之間必須要有直接的連接線路,就必須以50Ω發送線路的方式進行設計。如此才能盡量減少導線的阻抗不匹配,以及讓導線成為微型天線而影響系統效率的情況降至最低。

針對一個多頻段裝置設計完美搭配的單一匹配網路,通常不會太困難;不過有時還是會面臨一些挑戰,尤其是當裝置空間有限且其接地層很小。另一種替代方案則是針對每一個需要使用的作業頻段設計能完美搭配其作業的匹配網路,然後根據需要而切換不同的網路。由於每一個網路都只能搭配單一頻段的需求,因此通常只需要簡單的幾個元件,而使其價格和體積相對較低。例如Nordic Thingy:91針對不同的LTE-M/NB-物聯網頻段和藍牙配備了五種匹配網路,以及一個GPS訊號專用的匹配網路(該網路中還包含LNA,以提高GPS輸入訊號)。採用nRF9160 SiP的Arm Cortex M-33應用處理器進行控制,可在不同的網路之間進行切換。

測試天線系統

最後的設計必須經過測試,以確保其不僅能夠達成預期的發送效率,同時具有幾近全向的特性 (可在所有的方向發送和接收訊號)。第一項測試是連接50Ω的微單軸線到天線,並在PCB上的三或四個點位進行接地,然後將這條訊號線連接到網路分析器。其結果不僅僅顯示效率,同時還包括頻率響應和頻寬。這項測試通常決定是否需要對匹配網路進行調整。

對於蜂巢式物聯網裝置效能的最後一項檢查項目,必須在無響室中進行。這是設計的最終測試,而且通常揭露網路分析器測試所無法察覺的效率和全向性能等弱點,而這些問題可能需要透過重新選用晶片天線、重新設計接地層和淨空區域以及/或調節匹配網路加以解決。

即使採用了經驗證的開發技術,天線設計仍然極具挑戰性,而且通常需要重複測試設計的效能並微調其配置。此外,小型天線的效率不彰眾所周知。如果設計能夠達到50%到60%的效率,就表示設計人員已經做得非常好了。但其中通常還會有可以再加以改善之處,所以再次對設計進行全面檢視絕對是值得的。

Nordic Thingy:91採用Ignion的虛擬天線。請注意晶片天線(紅色)在PCB右上角的位置,以及天線與其餘電子元件之間的間隙區域。

本文同步刊登於EDN Taiwan 2022年5月號雜誌

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