如何将NB-IoT天线引入电路板并解决阻抗匹配

由于所有可能的无线通信协议都可用于移动设备，因此很难保持它们的直通性。窄带物联网（NB-IoT）和LTE-M是两个低带宽协议，可在几英里的距离内提供远程监控功能。尽管两种协议的数据速率都非常低，但是这些协议是轻型嵌入式系统（例如小型传感器阵列，工业或车辆监控）的绝佳选择。使用这些协议的设备甚至可以部署在地下或建筑物中。

NB-IoT的最新版本现已与5G网络兼容，并提供了一种极具成本效益的方式来部署嵌入式IoT解决方案。如果您的目标是设计不带COTS组件的定制集成系统，则可以直接在板上或作为外部模块使用PCB设计工具进行NB-IoT天线设计。

NB-IoT功能

LTE-M和NB-IoT是针对各种应用的两个更新的以IoT为中心的LPWAN协议。一些示例包括家庭监视，遥感，智能制造和相关应用程序。NB-IoT是不需要大量数据速率的轻型嵌入式应用的理想选择。NB-IoT数据速率峰值约为250 kbps，这比4G LTE中使用的速率低20倍。带宽非常窄（因此名称中的术语为“窄带”），并且上行链路/下行链路频带在单个天线中使用HD-FDD。

单个NB-IoT天线设计可以跨越多个频带，这会给阻抗匹配带来一些挑战。首先，让我们研究一下如何将NB-IoT天线引入电路板，然后解决阻抗匹配问题。

使用COTS NB-IoT天线模块

有适用于新NB-IoT设备的COTS天线模块。这些模块可以作为表面安装组件直接安装到您的板上，这些较小的天线模块价格低廉，具有几乎各向同性的辐射分布，并且尺寸较小（例如，约1平方英寸）。对于这样的低成本设备，它们还倾向于具有合理的天线效率。

COTS NB-IoT天线需要与您的馈线阻抗（50欧姆）匹配。这意味着您需要手动设计匹配的网络，以同时在单个天线中容纳上行链路和下行链路频段。这些天线通常使用包括匹配电路的评估板进行测试，如果正确安装和端接，它们往往具有大约-5 dB至-10 dB的回波损耗。陶瓷SMT天线模块也可提供，可以在相关频带的不同部分提供较低的天线回波损耗。

体面的天线制造商将提供原理图符号以及2D和3D组件模型，使您可以将这些组件带入设计软件中。在布局期间，您不需要任何超出标准设计规则的东西就可以将这些天线模块之一放置在电路板上。虽然天线本身并不需要返回路径，但天线模块可能需要跨越天线下方的接地层，具体取决于其结构。您的馈线需要与驱动器/收发器的阻抗匹配，这需要在接地平面上方正确调整馈线的尺寸。

NCP.5820 NB-IoT天线模块的示意图符号

定制NB-IoT天线设计和布局

您可以根据自己喜欢的几何形状有效地创建NB-IoT天线设计。无论您是使用COTS天线模块，还是直接在板上设计印刷天线，都需要实现一些隔离技术。这一点非常重要，因为这些天线往往是高度各向同性的辐射器，从而有可能耦合到电路板的其他区域。在这些系统所涉及的低频下，只要辐射器与您的其他电路块之间有足够的距离，您可能不需要在通讯线周围和天线边缘周围通过围栏放置。

如果这还不够，则应使用围栏屏蔽板中的其他重要电路块。当您在天线附近聚集大量组件时，这一点尤其重要。防止辐射被其他电路块吸收的另一个重要步骤是设计具有低电感的非隔离走线，同时保持所需的阻抗。

这些天线的最佳阻抗匹配选择是宽带LC匹配网络。尽管上行链路和下行链路频带的带宽很窄，但是两个频带之间的距离很宽，总带宽高达20％（请参阅上面的频带B4和B66）。如果仅在单个频带中工作，那么您将有效地为上行链路和下行链路部分设计一个双频带匹配网络。这涉及将电容器和电感器放置为串联和并联元件。如果每个频带中的匹配足够广泛，则可以在整个上行链路和下行链路频带的大部分范围内使反射损耗低于-10 dB。

5820天线跨越3个NB-IoT频带的示例回波损耗频谱

其他外部NB-IoT天线和模块

将NB-IoT天线插入电路板的另一种选择是使用与标准连接器连接的天线模块。这可以是同轴SMA连接器或与平板匹配的其他标准连接器。如果您决定采用这种方法，请注意连接器的S参数，因为它会在频带内产生额外的反射和插入损耗。测量要使用的任何连接器的S参数是一个好主意，以检查它在整个上行链路和下行链路频段是否兼容。
编辑：hfy