天線及無線物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備設(shè)計(jì)解決方案

　　天線設(shè)計(jì)可以成就或破壞無線產(chǎn)品。對(duì)于越來越多樣化的無線物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 設(shè)計(jì)而言，挑戰(zhàn)甚至更大，其中法規(guī)限制了分配頻帶中的發(fā)射功率，即使工程師努力最大限度地提高吞吐量和范圍。

　　傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)指南建議使用長度為預(yù)期接收信號(hào)波長一半的帶狀天線。對(duì)于偶極天線，對(duì)于 2.4 吉赫 （GHz） 頻帶，這轉(zhuǎn)換為 6.25 厘米 （cm）。但對(duì)于無線物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品，該設(shè)計(jì)建議提出了兩大挑戰(zhàn)。首先，空間通常非常寶貴，因此很難容納相對(duì)較長的天線。其次，物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品通常會(huì)訪問多個(gè)無線電頻率以連接到低功耗藍(lán)牙 （Bluetooth LE）、Wi-Fi、GPS 和/或蜂窩網(wǎng)絡(luò)。這意味著必須容納多個(gè)天線，每個(gè)天線都需要自己的阻抗匹配電路，這增加了設(shè)計(jì)的成本、復(fù)雜性和體積。

　　嵌入式天線為多頻段物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的空間和成本限制提供了解決方案。這些單片天線具有緊湊的尺寸，可以應(yīng)對(duì)多種不同的頻率，同時(shí)提供良好的性能。然而，有一個(gè)權(quán)衡：在同類應(yīng)用中，多頻段嵌入式天線的性能將不及單頻段帶狀天線。這使得設(shè)計(jì)人員密切遵守關(guān)鍵設(shè)計(jì)指南以最大限度地提高嵌入式天線在所有工作頻率上的效率變得更加重要。

　　這些指南不僅限于天線選擇和定位；嵌入式組件只是“天線系統(tǒng)”的一部分。為了構(gòu)建一個(gè)高效的系統(tǒng)，天線必須與合適的印刷電路板（PC 板）接地層和阻抗匹配電路仔細(xì)配對(duì)，以優(yōu)化性能。系統(tǒng)每個(gè)部分的設(shè)計(jì)都會(huì)顯著影響整個(gè)天線系統(tǒng)的效率，而阻抗匹配電路的設(shè)計(jì)對(duì)于多頻段嵌入式天線來說尤其具有挑戰(zhàn)性。

　　本文簡要介紹了天線以及無線物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備設(shè)計(jì)人員面臨的挑戰(zhàn)。然后介紹多頻段嵌入式天線，并解釋如何設(shè)計(jì)它們并確保它們與接地層和阻抗匹配電路匹配以優(yōu)化性能。

　　天線基礎(chǔ)知識(shí)

　　天線轉(zhuǎn)換電壓和電流以產(chǎn)生發(fā)射的射頻信號(hào)，然后在接收器將輸入的射頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓和電流。優(yōu)化天線的效率可確保將盡可能多的發(fā)射器功率轉(zhuǎn)換為輻射的無線電能量，并從輸入信號(hào)中收集盡可能多的能量以饋送接收器。它執(zhí)行這些角色的功效在??很大程度上決定了物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的范圍和吞吐量。

　　天線效率（通常以分貝 （dB） 為單位測量）由幾個(gè)因素決定，但一個(gè)關(guān)鍵因素是阻抗。天線阻抗（與輸入端的電壓和電流有關(guān)）與驅(qū)動(dòng)天線的電壓源阻抗之間的顯著不匹配會(huì)導(dǎo)致天線效率低下。提高功效的關(guān)鍵是使兩個(gè)阻抗相等。

　　由于阻抗不匹配而被傳輸線上的天線反射的任何功率都會(huì)干擾正向傳播的功率并產(chǎn)生駐電壓波。衡量阻抗均衡程度的常用指標(biāo)是電壓駐波比 （VSWR）。VSWR 為 1 表示沒有阻抗失配損耗，而較高的數(shù)字表示損耗增加。例如，3.0 的 VSWR 表示大約 75% 的功率傳送到天線。VSWR 大于或等于 6 表示效率低下，應(yīng)修改設(shè)計(jì)（表 1）。

表 1：高 VSWR 會(huì)導(dǎo)致更大的損耗。如果 VSWR 超過 6:1，設(shè)計(jì)人員應(yīng)考慮修改設(shè)計(jì)。（圖片來源：Steven Keeping）

　　更復(fù)雜的情況是天線阻抗隨頻率而變化。當(dāng)系統(tǒng)調(diào)諧到單一頻率時(shí)，這不是問題，但物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品通常使用在多個(gè)頻率下運(yùn)行的無線電。這對(duì)于適應(yīng)多種接口的混合是必要的，例如藍(lán)牙 LE（2.4 GHz）、Wi-Fi（2.4、5 和越來越多的 6 GHz）、LTE-M/NB-IoT 蜂窩（在 700 中的多個(gè)頻段上運(yùn)行） 2200 兆赫 （MHz） 分配）和 GPS（1227 和 1575 MHz）。

　　多頻段產(chǎn)品的一種選擇是為每個(gè)頻率使用單獨(dú)的阻抗匹配天線，但這會(huì)增加相當(dāng)大的復(fù)雜性、尺寸和費(fèi)用。另一種方法是使用單個(gè)嵌入式天線和設(shè)計(jì)電路，以確保良好的阻抗匹配以覆蓋一系列工作頻率。

　　天線選擇和放置

　　有幾家供應(yīng)商提供成熟的嵌入式天線設(shè)計(jì)。了解最終產(chǎn)品的預(yù)期工作頻段后，從供應(yīng)商目錄中縮小合適天線的候選名單相對(duì)簡單。例如，Ignion（前身為 Fractus Antennas）提供一系列適用于物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品的組件，包括 ALL MXTEND NN02-220天線和 TRIO MXTEND NN03-310天線。

　　NN02-220 是一款多頻段天線，適用于蜂窩 2G、3G、4G 和 5G 以及 NB-IoT/LTE-M 蜂窩應(yīng)用，采用 24 x 12 x 2 毫米 （mm） 封裝。通過適當(dāng)?shù)南到y(tǒng)設(shè)計(jì)，天線可以達(dá)到接近 70% 的效率和小于 3:1 的 VSWR。它具有全向輻射模式，在所有方向上提供大致相等的傳輸和接收。

　　NN03-310 覆蓋與 NN02-220 相同的頻段，但增加了 GNSS、藍(lán)牙 LE、Wi-Fi 6E 和超寬帶 （UWB）。它的尺寸為 30 x 3 x 1 毫米，性能指標(biāo)與其姊妹產(chǎn)品相似，效率接近 65%，VSWR 小于 3:1，并且具有全向輻射圖（圖 1）。

圖 1：Ignion NN03-310 是一款用于蜂窩、GNSS、短程射頻、Wi-Fi 和 UWB 的嵌入式天線。（圖片來源：點(diǎn)火）

　　一旦選擇了嵌入式天線，下一步就是考慮接地層。接地平面的大小對(duì)天線效率有很大影響。例如，在 900 MHz 的工作頻率下，在同類比較中，10 cm 2的接地層可能會(huì)表現(xiàn)出 30% 的效率，而 40 cm 2的接地層會(huì)將效率提高到 60%。因此，在最終產(chǎn)品外形尺寸的限制下，良好的設(shè)計(jì)實(shí)踐是使用盡可能大的印刷電路板，然后將印刷電路板的完整層專用于接地層。請(qǐng)注意，隨著頻率的增加，地平面尺寸對(duì)天線效率的影響較小。在幾 GHz 以上，影響可以忽略不計(jì)。

　　天線在印刷電路板上的位置對(duì)設(shè)計(jì)的發(fā)射功率和接收靈敏度也有很大影響。制造商指南建議放置在物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的角落。將芯片天線放置在盡可能遠(yuǎn)離其他可能在運(yùn)行期間產(chǎn)生電磁干擾 （EMI） 的有源組件也很重要。對(duì)于蜂窩物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的典型傳輸功率水平，距離其他組件 20 毫米的最小間隙區(qū)域是令人滿意的。地平面也應(yīng)遠(yuǎn)離該區(qū)域。

　　將芯片天線連接到電路其余部分的 PC 板焊盤和走線應(yīng)該是間隙區(qū)域中唯一的銅導(dǎo)體。讓天線遠(yuǎn)離外殼螺絲、支架和其他金屬部件也是一種很好的做法。例如，在Nordic Semiconductor nRF6943蜂窩物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)板上，天線放置在電路板的一側(cè)，與其他組件之間存在間隙，并且與安裝螺釘有一定距離（圖 2）。

圖 2：nRF6943 蜂窩物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)板顯示了頂部多頻段天線的位置，天線與其他組件之間有寬闊的間隙區(qū)域（部分被白色標(biāo)簽覆蓋）。（圖片來源：北歐半導(dǎo)體）

　　nRF6943 旨在幫助工程師使用短距離無線（藍(lán)牙 LE）、LTE-M/NB-IoT 和 GPS 開發(fā)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。

　　匹配電路設(shè)計(jì)

　　天線系統(tǒng)設(shè)計(jì)中最重要的部分是阻抗匹配電路，它位于芯片天線和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的收發(fā)器之間。匹配電路的目的是通過匹配發(fā)射器電源的阻抗與天線的阻抗（對(duì)于低功率物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品通常為 50 Ω）來限制發(fā)射/接收損耗。

　　工程任務(wù)不僅是設(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”電壓源阻抗，使其與天線阻抗匹配。使用高品質(zhì)因數(shù) （Q） 和嚴(yán)格公差的組件可提高性能。對(duì)于單個(gè)工作頻段（例如 2.4 GHz），設(shè)計(jì)相對(duì)簡單，但對(duì)于工作在多個(gè)頻段的物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品，匹配電路變得復(fù)雜得多。

　　為了幫助設(shè)計(jì)人員，Ignion 等天線供應(yīng)商提供了使工作更輕松的軟件。掌握了印刷電路板尺寸、芯片天線選擇、頻帶要求和 S11 參數(shù)（系統(tǒng)反射系數(shù)，代表目標(biāo)效率）的知識(shí)后，設(shè)計(jì)人員可以使用 Ignion 的軟件包來設(shè)計(jì)匹配電路，還可以確定接近 S11 參數(shù)目標(biāo)所需的確切組件值。在軟件的幫助下，只要 PC 板足夠大，就可以設(shè)計(jì)出一個(gè)天線系統(tǒng)，只需一個(gè)嵌入式天線和匹配電路即可滿足全多頻段系統(tǒng)的需求。

　　但是，如果印刷電路板（以及接地平面）很小，則具有單個(gè)匹配電路的多頻帶天線系統(tǒng)可能無法正常運(yùn)行。Nordic 的 nRF6943 上采用的一種解決方案是整合多個(gè)匹配網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)都可以通過 MCU 控制的開關(guān)按需訪問。這樣做的好處是提高了所有頻率范圍的性能，但與單個(gè)匹配電路相比，成本和復(fù)雜性會(huì)增加。這些缺點(diǎn)在一定程度上得到了緩解，因?yàn)槊總€(gè)匹配電路只需要轉(zhuǎn)換單個(gè)頻段的阻抗，并且只包含幾個(gè)組件。

　　圖 3 顯示了 NN03-310 的示例，該示例用于小型 PC 板上的參考設(shè)計(jì)，使用三個(gè)匹配電路（或 Ignion 所稱的匹配網(wǎng)絡(luò) （MN））。MN 的 a、b 和 c 部分構(gòu)成了在 824 – 960 MHz 和 1710 – 1990 MHz 蜂窩頻段中運(yùn)行的匹配電路；MN d 和 e 部分適合 1561 – 1606 MHz GNSS 頻率；MN 部分 f 是 2.4 GHz（藍(lán)牙 LE 或 Wi-Fi）操作的匹配網(wǎng)絡(luò)。圖 4 顯示了蜂窩匹配電路（a、b 和 c 部分）的設(shè)計(jì)和元件值，圖 5 顯示了完整設(shè)計(jì)的仿真性能。

圖 3：在顯示匹配電路位置的多頻段設(shè)計(jì)中使用 NN03-310 天線的參考設(shè)計(jì)。（圖片來源：點(diǎn)火）

圖 4：圖 3 中所示的 a、b 和 c 部分（蜂窩操作）的匹配電路，其組件值使用 Ignion 設(shè)計(jì)軟件計(jì)算。（圖片來源：點(diǎn)火）

圖 5：圖 3 所示參考設(shè)計(jì)的模擬 VSWR 和效率結(jié)果，使用 NN03-310 和由 Ignion 設(shè)計(jì)軟件計(jì)算的匹配電路元件值。（圖片來源：點(diǎn)火）

　　測試天線系統(tǒng)

　　盡管匹配電路軟件可以很好地估計(jì)天線系統(tǒng)的頻率響應(yīng)和功效，但必須對(duì)實(shí)際原型進(jìn)行測試，以確保它不僅展示了預(yù)測的輻射效率，而且還具有近似全向性。

　　第一個(gè)測試可以通過將一根 50 Ω 的微同軸電纜連接到天線來完成，在印刷電路板上的三個(gè)或四個(gè)點(diǎn)接地，然后將該電纜連接到網(wǎng)絡(luò)分析儀。結(jié)果不僅會(huì)顯示效率，還會(huì)顯示頻率響應(yīng)和帶寬。該測試通常顯示是否需要對(duì)匹配電路組件進(jìn)行一些調(diào)整。

　　Ignion 通過為 NN02-220 和 NN03-310 天線（分別為EB_NN02-220-1B-2R-1P和EB_NN03-310-M+5G ）提供評(píng)估板，簡化了初始測試。在每種情況下，評(píng)估板都包括天線、阻抗匹配電路和接地的 50 Ω 微同軸電纜（圖 6）。

　　在進(jìn)行產(chǎn)品測試之前，設(shè)計(jì)人員可以將評(píng)估板插入網(wǎng)絡(luò)分析儀，以熟悉他們可能期望從類似原型設(shè)計(jì)中獲得的頻率響應(yīng)。

　　蜂窩物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備性能的最終檢查應(yīng)在消聲室中進(jìn)行。這是對(duì)設(shè)計(jì)的最終測試，通常會(huì)揭示在網(wǎng)絡(luò)分析儀測試期間未出現(xiàn)的效率和全方位性能方面的弱點(diǎn)。不足之處可能需要修改嵌入式天線選擇、重新設(shè)計(jì)接地平面和凈空區(qū)域和/或匹配電路調(diào)諧。

　　結(jié)論

　　許多物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品的小尺寸和多頻操作使天線實(shí)施成為一項(xiàng)挑戰(zhàn)。每個(gè)頻率的單獨(dú)天線和匹配電路可能難以容納，并且它們?cè)黾恿藦?fù)雜性和成本。

　　嵌入式天線提供了一種通過使用單個(gè)設(shè)備來服務(wù)多個(gè)頻率來節(jié)省空間的選項(xiàng)。權(quán)衡是地平面、間隙和匹配電路設(shè)計(jì)變得更加困難。然而，嵌入式天線供應(yīng)商提供經(jīng)過驗(yàn)證的設(shè)計(jì)建議和軟件建模工具，可以簡化設(shè)計(jì)周期。即使有這種幫助，任務(wù)也不是微不足道的，天線系統(tǒng)設(shè)計(jì)通常歸結(jié)為反復(fù)測試設(shè)計(jì)的性能，然后改進(jìn)布局。