将天线集成到小型物联网设备中的挑战

为紧凑型物联网设备设计天线是一项棘手的任务，但其重要性与日俱增。接下来让我们了解有关这一挑战以及如何应对的更多信息。

物联网（IoT）是一种模式转变的技术趋势，在这种趋势下，从冰箱到手表等日常物品都变成了具有互联网连接功能的智能设备。这些物体可以相互共享数据，从而使日常生活的许多方面实现自动化并得到提升。

天线在这些设备中起着举足轻重的作用。天线是一种将电磁辐射转换为电流的装置，反之亦然。这一功能对于物联网设备以无线方式相互通信和交换数据至关重要，从而促进了物联网的互联性。

然而，由于存在许多限制和考虑因素，将天线集成到这些小型物联网设备（图 1）中是一项重大挑战。

尺寸和空间的挑战

在物联网世界中，消费者渴望紧凑、不引人注目的设备，而制造商也努力遵守。这些尺寸限制对天线集成构成了重大障碍。

天线的工作原理是在特定频率上产生谐振，其尺寸通常与设计工作频率的波长成正比。例如，在 2.4 GHz 频段工作的偶极子天线最好需要约 6.25 厘米长，而这种尺寸对于紧凑型物联网设备来说往往是不可行的。

小型物联网设备内的空间非常拥挤，这给天线集成带来了复杂的任务。天线必须在靠近处理器、电池和传感器等其他组件的情况下发挥作用。这些组件可能会干扰天线的运行，影响其性能，并最终影响设备的功能。

例如，电池的金属外壳通常是紧凑型物联网设备中最大的组件，它可以通过两种方式干扰天线的工作：一是使天线失谐，改变其工作频率；二是因其尺寸而屏蔽天线，减少有效辐射模式，削弱设备的连接性。

类似地，处理器，特别是那些在高频下运行的处理器，会产生大量的电磁噪声。当天线靠近时，它会拾取这种噪声，从而干扰其信号的接收和传输。

小型化导致天线性能降低

物联网设备越来越趋向于小型化、紧凑化，这对设备的便携性和时尚性来说是件好事，但对天线的性能却有不利影响。随着这些设备越来越小，其中的天线也需要缩小。尺寸的缩小会对天线工作的许多重要特性产生负面影响。

小型化对天线性能的一些不利影响包括：

谐振效率降低：天线的工作原理是与特定波长谐振，并且尺寸通常与该波长成比例。随着天线尺寸的减小，其与波长有效谐振的能力会受到影响，从而导致信号强度降低和传输范围减小。

减少带宽：带宽是指天线可以有效处理的频率范围。较小的天线由于其尺寸，通常具有更有限的带宽。这意味着它们在任何给定时间可以处理更少的数据，这可能会降低数据传输速率并妨碍设备的整体功能。

失谐的敏感性增加：在紧凑型设备中，天线距离其他组件更近。这种近距离可能会导致失谐，即由其他组件（尤其是金属组件）的干扰引起的天线工作频率的变化。

辐射方向图受损：天线的辐射方向图描述了其发射信号的方向和强度，也可能受到小型化的负面影响。较小的天线通常具有不太理想的辐射方向图，这可能导致连接性较弱且不太可靠。

潜在的解决方案

针对这些挑战有几种潜在的解决方案：

SoC 将微控制器单元 (MCU) 和 RF 前端集成到一个硅芯片中。通过合并这两种功能，SoC 可以很好地利用物联网设备内部的有限空间。这种空间效率优势是物联网设备越来越多地围绕无线 MCU 进行设计的关键原因。

尽管有这些好处，SoC 并不能解决所有问题：天线的物理尺寸仍然受到其工作频率的波长的限制，并且失谐（由附近组件引起的天线工作频率的变化）仍然是一个重大问题。

另一种潜在的解决方案是将 SoC 与 PCB 走线天线或芯片天线配对。

PCB 走线天线是一种其导体蚀刻在 PCB 表面上的天线（图 2）。它们具有成本效益，但会占用相当大的空间，从而导致物联网设备体积庞大。另一方面，芯片天线是更小的表面安装元件，可以节省空间。然而，根据它们是否连接到接地层，它们可能需要大量的间隙区域。

在使用这些天线类型时，设计人员需要考虑各种因素来估计物联网设备的尺寸。其中包括天线所需的 PCB 尺寸、必要的间隙区域以及天线与设备外壳边缘之间的距离。

然而，这种方法也有其自身的一系列挑战。由于需要专门的射频设计技能和设备进行设计、测试和调谐，因此通常会导致更高的开发成本。此外，还需要考虑认证费用。

因此，虽然将 SoC 与这些天线配对可以解决一些空间问题，但需要仔细规划，并且由于设计、测试和认证要求，还可能增加上市时间。

SiP 是一种将微控制器单元 (MCU)、射频 (RF) 前端和天线等多个组件集成到单个封装中的模块。SiP 模块具有 SoC 的紧凑性，同时还包含所有必要的无源组件，从而消除了工程师的射频设计难题。

除了其紧凑性之外，SiP 模块还独特地解决了天线集成中臭名昭著的失谐问题。这些模块内的天线布置设计为即使在靠近塑料外壳时也能发挥最佳性能。这种设计灵活性使工程师能够将 SiP 模块放置在设备上的任何位置，这有助于减小设备的整体尺寸。

一切都与管理约束有关

将天线集成到小型物联网设备的过程面临着巨大的挑战。这些困难主要源于设备尺寸的限制以及小型化对天线性能的负面影响。

已经开发出多种解决方案来在一定程度上应对这些挑战。

例如，将 SoC 与 PCB 走线或芯片天线相结合可以解决空间限制问题。然而，由于设计、测试和认证过程需要额外的时间，这种方法可能会延长产品的上市时间。

SiP 为天线集成提供了更全面、更用户友好的解决方案。这些现成的装置配有集成天线，无需复杂的射频设计。此外，它们还可以有效解决通常与紧凑型物联网设备相关的天线失谐问题。

本文由EETOP编译自allaboutcircuits

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