物联网设计中的天线设计注意事项

随着越来越多的设备以无线方式接入互联网，电子工程师面临着许多挑战，例如如何将无线电发射器组装成呈现设备空间，以及如何设计和制造尺寸越来越小的设备。此外，他们正在努力满足客户对符合人体工程学、适用可达性和与环境和谐的IoT（物联网）产品的需求。

在考虑物联网产品时，尺寸预期是最重要的考虑因素之一，除此之外，通常还会考虑无线电性能和价格。理想情况下，工程师更喜欢体积小、RF（射频）性能出色且价格低廉的物联网组件。然而，物联网组件通常无法具备上述所有优势，因此解决方案提供商不得不面临挑战。

幸运的是，随着电子行业不断依赖全新的硅工艺技术，近年来硅芯片的尺寸越来越小。通过将MCU（微程序控制单元）和RF前端集成到SoC（片上系统）结构中，成功解决了物联网实施的空间问题。然而，SoC的发展趋势并没有解决射频发射器的物理结构问题，即天线。我们通常将天线设计留给客户或建议他们选择易于使用的集成天线的天线模块。天线空间是我们在设计小型物联网设备时必须面对的另一个挑战。空间设计需要高效可靠的无线连接能力。

为什么选择 SoC？

作为 21 ^st 世纪见证了物联网的初步繁荣，该行业被视为M2M（机器对机器）。促成物联网互联的组件主要包括GPRS调制解调器、蓝牙串口线或Sub-G无线电。所有设计都利用两个主要组件来实现连接：MCU 和无线调制解调器。实现物联网基础功能的最小空间在所有维度上都为50mm，这意味着所有设备的大小只有手机大小。

随着硅产业不断向将 MCU 和 RF 功能集成到一个芯片空间的技术发展，开发人员开始拥抱更多机会。现在，他们可以使物联网设备的所有功能在同一个 IC/SoC 中实现。由于无线单片机优势明显，物联网组件系统开始向无线单片机转型。因此，工程师能够仅使用一种类型的组件设计物联网设备并节省空间。此外，由于组件成本低，它们能够降低成本。随着现代物联网设备的结构可供选择，基于SoC的系统由于尺寸优势将更受欢迎。

然而，SoC的发展趋势并没有解决物理结构问题，即天线。

如何布置天线，需要多少空间？

必须承认，天线必须面对多个维度的复杂性，因为必须同时考虑尺寸和效率。由于 BOM（物料清单）成本相对较低，因此通常通过 PCB 跟踪设计天线来进行 IoT 设计。但PCB天线对尺寸要求非常高，通常在25mm×15mm范围内，导致物联网产品体积庞大。天线在模块中应用时还有一个缺点，就是由于屏蔽材料对失谐非常敏感，需要在最终产品组装过程中特别考虑，以达到最佳工作状态。在SoC设计中，作为普通设计的一部分，天线调谐是依靠一些专业知识来获得的。在设计上，PCB天线与其他天线没有区别。

天线制造商长期以来一直提供“芯片天线”以简化设计工作。此外，这种类型的天线在尺寸方面具有优势。此类天线主要通过以下方式提供：
a．天线与 GND 不耦合。这种天线要求间隙范围比较大。这类天线的典型例子包括单极天线和翻转F天线。
b．天线与 GND 耦合。这种天线只需要提供相对较小的净空范围或根本不需要天线。

两种类型的天线都具有间隙范围或接地平面以及 PCB 尺寸方面的空间要求。物联网设计中射频元件所称的空间还应包括必要的间隙范围，因为任何元件或走线都不能留在这里，这意味着设计人员在估算物联网设备的尺寸时，应注意PCB尺寸和间隙范围与兼容天线。此外，天线与屏蔽边缘之间应保持一定的距离。

当物联网设备被设计成纽扣电池大小时，天线效率肯定会受到损害。当我们试图使其尺寸更小时，实现射频性能的效率将随之降低。全尺寸小于10mm的器件性能要到2.4GHz频率才能实现。例如，可以为手机用户提供超过10米的蓝牙连接，被大多数人接受。

然而，当各个方向的尺寸接近20mm时，RF的效率将大大提高。当接近40mm时，实现接地调谐的众多天线的高效率将攀升至最高。

这意味着两个等效设备之间的通信距离应在 60mm 到 400mm 的范围内，符合蓝牙 4.2 协议。一旦应用15.4协议（例如zigbee），可视范围内的最长通信距离可以达到500米以上。因此，由于大多数芯片天线都将PCB接地平面作为天线配置的一部分，因此设计人员需要根据应用和目标尺寸的差异来平衡PCB尺寸和天线的性能和效率。此外，天线/模块的位置在设计阶段也起着关键作用，因此设计人员需要考虑间隙范围以实现模块的最佳接地。