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将天线嵌入蜂窝物联网设计

2022-05-06 15:40:56 Nordic Semiconductor 阅读:
只要遵循简单的设计准则,便可以使用单个小型天线来服务蜂窝物联网产品中的多个无线电

无论在蜂窝物联网设备的硬软件设计上投入了多少创新,如果天线不能正常工作,产品将毫无用处。YdIednc

天线产生电压和电流,从而产生电磁发射(无线电)波;而在接收一方,也是由天线在接收到无线电入射波后产生电压和电流,并由接收器提取。优化天线的效率,可以确保天线尽可能将发射功率转换为无线电辐射能量,同时接收端的天线也能从入射信号中获取尽可能多的能量,以供接收器使用。这在很大程度上决定了蜂窝设备的覆盖范围和吞吐量。YdIednc

更具挑战性的是,蜂窝物联网产品会使用多个频率的无线电。例如,Nordic Thingy:91蜂窝物联网原型平台集成了nRF9160 SiP,它包括可以在700MHz~2200MHz间多个可配置频带内运行的LTE-M/NB-IoT,1227MHz和1575MHz的GPS,以及nRF52840 SoC(在2.4GHz运行的低功耗蓝牙)。很多蜂窝物联网解决方案还包括Wi-Fi(2.4GHz和5GHz)。这种传统设计意味着需要将几个不同的笨重天线(以及它们的电路)集成到一个产品中。幸运的是,现代的芯片天线元件提供了优质解决方案,其紧凑设计可以应对不同无线电所需的多个频率。例如,Thingy:91采用了单一天线用于平台的LTE-M/NB-IoT和GPS无线电,而尺寸仅30mm×3mm×1mm(另有一个单独天线用于Thingy:91的2.4GHz无线电)。但是即使使用这些智能芯片天线,也存在一些灵敏度方面的不足。这使得设计者必须遵循一些重要的设计准则,以最大限度提高天线的效率和整体频率响应。YdIednc

天线的安放位置

现代芯片天线性能提升的秘密,在于这个天线本身只是天线系统的一部分。完整的天线系统包括芯片天线、印刷电路板地层和天线匹配电路。系统各部分的设计直接影响系统整体效率。YdIednc

芯片天线制造商,如Nordic的设计合作伙伴Ignion,具有将天线效率最大化用于短距离无线电和蜂窝物联网应用方面的特色。该公司还为单频带、双频带和多频带系统提供了另外的解决方案。了解最终产品的预期运行频带,就可以相对简单地从天线类别中缩小可选适用芯片天线的范围。YdIednc

一旦选择了芯片天线,下一步就是考虑地层。地层的面积对天线效率影响较大。例如,在900MHz运行频率下,通过同类比较,一个10cm2的地层可能有30%的效率,而一个40cm2的地层可能将效率提高到60%。在最终产品尺寸外形的限制下,良好的设计结果是使用尽可能大的印刷电路板,将完整的一层用于地层。(随着频率提高,地层的面积对天线效率影响减少。)YdIednc

接下来,重点考虑的是将芯片天线安装到印刷电路板的哪个位置。把天线安装到设备的角落是一个好的选择。同样重要的是,芯片天线应尽量远离其他可能在运行过程中产生辐射能量的有源器件。对于蜂窝物联网设备的典型传输功率水平,与其他元器件之间存在最小20mm的净空区域即可。地层应在净空区域之外。净空区域的唯一导体是将芯片天线连接到电路其余部分的印刷电路板焊盘。天线应远离外壳螺丝、支架和其他金属部件。YdIednc

尽量减少损耗

天线系统设计最重要的部分可能是匹配电路。匹配电路位于芯片天线和收发器之间。其目的是在物联网设备发射时,限制从天线反射的能量,这称为电压驻波比(VSWR)。YdIednc

将天线阻抗转换为系统阻抗——通常是50Ω,能量反射或VSWR便会被降至最低。匹配网络通常包括电感和电容,该网络将收发器“看到”的阻抗转换为天线预定频带。使用高品质因数(Q)和紧密公差的匹配网络元件将有利于提高性能。YdIednc

设计匹配网络是个挑战。关键在于不仅要设计合适的电路拓扑结构,还要选择合适的电感和电容值来转换所需的阻抗。对于单个运行频带(例如2.4GHz),设计相对简单,但对于在多个频带运行的蜂窝物联网产品,匹配电路便会复杂得多。匹配网络的设计应尽可能接近天线(同时保持净空区域),以此减小连接焊盘的长度。对于收发器和天线之间必有一条传输线的情况,则确保将其阻抗设计成50Ω。这最大限度上减少了布线阻抗不匹配,也降低了作为微型天线的线路扰乱系统效率的可能性。YdIednc

虽然也有可能为多频带设备设计单一的匹配网络,但情况可能并非如此,尤其是对地层面积小的小型设备而言。一种思路是设计匹配网络使其能很好地适应每个预期运行频带,并根据需要进行切换。由于每个网络只需要满足单个频带的需求,它通常可以由几个元器件组成,使其相对便宜且紧凑。例如,Nordic Thingy:91为各种LTE-M/NB-IoT频带和低功耗蓝牙提供了5个匹配网络,并为GPS信号提供了进一步的匹配网络(该网络还包括LNA,以增强nRF9160的GPS输入信号)。网络之间的切换由nRF9160 SiP的Arm Cortex M-33应用处理器控制。YdIednc

YdIednc

测试天线系统

最终设计必须经过测试,以确保它不仅展现预测的辐射效率,而且几乎是全向性的(在所有方向上发射和接收)。第一个测试可以将50Ω微同轴电缆连接到天线,在印刷电路板上的三或四个点接地,并将电缆连接到网络分析仪上。测试结果不仅能反映效率,还能反映频率响应和带宽。该测试通常显示是否需要对匹配的网络元件进行调整。YdIednc

蜂窝物联网设备性能的最终检查应在消声室进行。这是对设计的最终测试,通常会揭示效率和全向性性能的缺陷,这些缺陷是网络分析仪测试无法发现的,并且需要修改芯片天线的选择、重新设计地面层和净空区域和/或匹配网络调优。YdIednc

即使使用已被证实的开发技术,天线设计也存在挑战,经常需要反复测试设计性能,优化布局。此外,小型天线效率极低,人尽皆知。如果设计效率达到了50%到60%,那么设计师就做得不错了。对设计进行进一步彻底审查总是值得的,通常也会有改善。YdIednc

Nordic Thingy:91使用Ignion虚拟天线。注意印刷电路板右上角芯片天线(红色)的位置,以及天线与其他电子元件之间的净空区域。YdIednc

YdIednc

用于Nordic Thingy:91的Ignion TRIO mXTEND虚拟天线可运行于GPS、GLONASS和北斗等系统的蜂窝RF频带和GNSS频带,以及低功耗蓝牙和Wi-Fi的短距离无线频带。YdIednc

责编:Franklin
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