天线及无线物联网设备设计解决方案

　　天线设计可以成就或破坏无线产品。对于越来越多样化的无线物联网 （IoT） 设计而言，挑战甚至更大，其中法规限制了分配频带中的发射功率，即使工程师努力最大限度地提高吞吐量和范围。

　　传统的设计指南建议使用长度为预期接收信号波长一半的带状天线。对于偶极天线，对于 2.4 吉赫 （GHz） 频带，这转换为 6.25 厘米 （cm）。但对于无线物联网产品，该设计建议提出了两大挑战。首先，空间通常非常宝贵，因此很难容纳相对较长的天线。其次，物联网产品通常会访问多个无线电频率以连接到低功耗蓝牙 （Bluetooth LE）、Wi-Fi、GPS 和/或蜂窝网络。这意味着必须容纳多个天线，每个天线都需要自己的阻抗匹配电路，这增加了设计的成本、复杂性和体积。

　　嵌入式天线为多频段物联网产品设计的空间和成本限制提供了解决方案。这些单片天线具有紧凑的尺寸，可以应对多种不同的频率，同时提供良好的性能。然而，有一个权衡：在同类应用中，多频段嵌入式天线的性能将不及单频段带状天线。这使得设计人员密切遵守关键设计指南以最大限度地提高嵌入式天线在所有工作频率上的效率变得更加重要。

　　这些指南不仅限于天线选择和定位；嵌入式组件只是“天线系统”的一部分。为了构建一个高效的系统，天线必须与合适的印刷电路板（PC 板）接地层和阻抗匹配电路仔细配对，以优化性能。系统每个部分的设计都会显着影响整个天线系统的效率，而阻抗匹配电路的设计对于多频段嵌入式天线来说尤其具有挑战性。

　　本文简要介绍了天线以及无线物联网设备设计人员面临的挑战。然后介绍多频段嵌入式天线，并解释如何设计它们并确保它们与接地层和阻抗匹配电路匹配以优化性能。

　　天线基础知识

　　天线转换电压和电流以产生发射的射频信号，然后在接收器将输入的射频信号转换为电压和电流。优化天线的效率可确保将尽可能多的发射器功率转换为辐射的无线电能量，并从输入信号中收集尽可能多的能量以馈送接收器。它执行这些角色的功效在​​很大程度上决定了物联网设备的范围和吞吐量。

　　天线效率（通常以分贝 （dB） 为单位测量）由几个因素决定，但一个关键因素是阻抗。天线阻抗（与输入端的电压和电流有关）与驱动天线的电压源阻抗之间的显着不匹配会导致天线效率低下。提高功效的关键是使两个阻抗相等。

　　由于阻抗不匹配而被传输线上的天线反射的任何功率都会干扰正向传播的功率并产生驻电压波。衡量阻抗均衡程度的常用指标是电压驻波比 （VSWR）。VSWR 为 1 表示没有阻抗失配损耗，而较高的数字表示损耗增加。例如，3.0 的 VSWR 表示大约 75% 的功率传送到天线。VSWR 大于或等于 6 表示效率低下，应修改设计（表 1）。

表 1：高 VSWR 会导致更大的损耗。如果 VSWR 超过 6:1，设计人员应考虑修改设计。（图片来源：Steven Keeping）

　　更复杂的情况是天线阻抗随频率而变化。当系统调谐到单一频率时，这不是问题，但物联网产品通常使用在多个频率下运行的无线电。这对于适应多种接口的混合是必要的，例如蓝牙 LE（2.4 GHz）、Wi-Fi（2.4、5 和越来越多的 6 GHz）、LTE-M/NB-IoT 蜂窝（在 700 中的多个频段上运行） 2200 兆赫 （MHz） 分配）和 GPS（1227 和 1575 MHz）。

　　多频段产品的一种选择是为每个频率使用单独的阻抗匹配天线，但这会增加相当大的复杂性、尺寸和费用。另一种方法是使用单个嵌入式天线和设计电路，以确保良好的阻抗匹配以覆盖一系列工作频率。

　　天线选择和放置

　　有几家供应商提供成熟的嵌入式天线设计。了解最终产品的预期工作频段后，从供应商目录中缩小合适天线的候选名单相对简单。例如，Ignion（前身为 Fractus Antennas）提供一系列适用于物联网产品的组件，包括 ALL MXTEND NN02-220天线和 TRIO MXTEND NN03-310天线。

　　NN02-220 是一款多频段天线，适用于蜂窝 2G、3G、4G 和 5G 以及 NB-IoT/LTE-M 蜂窝应用，采用 24 x 12 x 2 毫米 （mm） 封装。通过适当的系统设计，天线可以达到接近 70% 的效率和小于 3:1 的 VSWR。它具有全向辐射模式，在所有方向上提供大致相等的传输和接收。

　　NN03-310 覆盖与 NN02-220 相同的频段，但增加了 GNSS、蓝牙 LE、Wi-Fi 6E 和超宽带 （UWB）。它的尺寸为 30 x 3 x 1 毫米，性能指标与其姊妹产品相似，效率接近 65%，VSWR 小于 3:1，并且具有全向辐射图（图 1）。

图 1：Ignion NN03-310 是一款用于蜂窝、GNSS、短程射频、Wi-Fi 和 UWB 的嵌入式天线。（图片来源：点火）

　　一旦选择了嵌入式天线，下一步就是考虑接地层。接地平面的大小对天线效率有很大影响。例如，在 900 MHz 的工作频率下，在同类比较中，10 cm 2的接地层可能会表现出 30% 的效率，而 40 cm 2的接地层会将效率提高到 60%。因此，在最终产品外形尺寸的限制下，良好的设计实践是使用尽可能大的印刷电路板，然后将印刷电路板的完整层专用于接地层。请注意，随着频率的增加，地平面尺寸对天线效率的影响较小。在几 GHz 以上，影响可以忽略不计。

　　天线在印刷电路板上的位置对设计的发射功率和接收灵敏度也有很大影响。制造商指南建议放置在物联网设备的角落。将芯片天线放置在尽可能远离其他可能在运行期间产生电磁干扰 （EMI） 的有源组件也很重要。对于蜂窝物联网设备的典型传输功率水平，距离其他组件 20 毫米的最小间隙区域是令人满意的。地平面也应远离该区域。

　　将芯片天线连接到电路其余部分的 PC 板焊盘和走线应该是间隙区域中唯一的铜导体。让天线远离外壳螺丝、支架和其他金属部件也是一种很好的做法。例如，在Nordic Semiconductor nRF6943蜂窝物联网开发板上，天线放置在电路板的一侧，与其他组件之间存在间隙，并且与安装螺钉有一定距离（图 2）。

图 2：nRF6943 蜂窝物联网开发板显示了顶部多频段天线的位置，天线与其他组件之间有宽阔的间隙区域（部分被白色标签覆盖）。（图片来源：北欧半导体）

　　nRF6943 旨在帮助工程师使用短距离无线（蓝牙 LE）、LTE-M/NB-IoT 和 GPS 开发物联网设备。

　　匹配电路设计

　　天线系统设计中最重要的部分是阻抗匹配电路，它位于芯片天线和物联网设备的收发器之间。匹配电路的目的是通过匹配发射器电源的阻抗与天线的阻抗（对于低功率物联网产品通常为 50 Ω）来限制发射/接收损耗。

　　工程任务不仅是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”电压源阻抗，使其与天线阻抗匹配。使用高品质因数 （Q） 和严格公差的组件可提高性能。对于单个工作频段（例如 2.4 GHz），设计相对简单，但对于工作在多个频段的物联网产品，匹配电路变得复杂得多。

　　为了帮助设计人员，Ignion 等天线供应商提供了使工作更轻松的软件。掌握了印刷电路板尺寸、芯片天线选择、频带要求和 S11 参数（系统反射系数，代表目标效率）的知识后，设计人员可以使用 Ignion 的软件包来设计匹配电路，还可以确定接近 S11 参数目标所需的确切组件值。在软件的帮助下，只要 PC 板足够大，就可以设计出一个天线系统，只需一个嵌入式天线和匹配电路即可满足全多频段系统的需求。

　　但是，如果印刷电路板（以及接地平面）很小，则具有单个匹配电路的多频带天线系统可能无法正常运行。Nordic 的 nRF6943 上采用的一种解决方案是整合多个匹配网络，每个网络都可以通过 MCU 控制的开关按需访问。这样做的好处是提高了所有频率范围的性能，但与单个匹配电路相比，成本和复杂性会增加。这些缺点在一定程度上得到了缓解，因为每个匹配电路只需要转换单个频段的阻抗，并且只包含几个组件。

　　图 3 显示了 NN03-310 的示例，该示例用于小型 PC 板上的参考设计，使用三个匹配电路（或 Ignion 所称的匹配网络 （MN））。MN 的 a、b 和 c 部分构成了在 824 – 960 MHz 和 1710 – 1990 MHz 蜂窝频段中运行的匹配电路；MN d 和 e 部分适合 1561 – 1606 MHz GNSS 频率；MN 部分 f 是 2.4 GHz（蓝牙 LE 或 Wi-Fi）操作的匹配网络。图 4 显示了蜂窝匹配电路（a、b 和 c 部分）的设计和元件值，图 5 显示了完整设计的仿真性能。

图 3：在显示匹配电路位置的多频段设计中使用 NN03-310 天线的参考设计。（图片来源：点火）

图 4：图 3 中所示的 a、b 和 c 部分（蜂窝操作）的匹配电路，其组件值使用 Ignion 设计软件计算。（图片来源：点火）

图 5：图 3 所示参考设计的模拟 VSWR 和效率结果，使用 NN03-310 和由 Ignion 设计软件计算的匹配电路元件值。（图片来源：点火）

　　测试天线系统

　　尽管匹配电路软件可以很好地估计天线系统的频率响应和功效，但必须对实际原型进行测试，以确保它不仅展示了预测的辐射效率，而且还具有近似全向性。

　　第一个测试可以通过将一根 50 Ω 的微同轴电缆连接到天线来完成，在印刷电路板上的三个或四个点接地，然后将该电缆连接到网络分析仪。结果不仅会显示效率，还会显示频率响应和带宽。该测试通常显示是否需要对匹配电路组件进行一些调整。

　　Ignion 通过为 NN02-220 和 NN03-310 天线（分别为EB_NN02-220-1B-2R-1P和EB_NN03-310-M+5G ）提供评估板，简化了初始测试。在每种情况下，评估板都包括天线、阻抗匹配电路和接地的 50 Ω 微同轴电缆（图 6）。

　　在进行产品测试之前，设计人员可以将评估板插入网络分析仪，以熟悉他们可能期望从类似原型设计中获得的频率响应。

　　蜂窝物联网设备性能的最终检查应在消声室中进行。这是对设计的最终测试，通常会揭示在网络分析仪测试期间未出现的效率和全方位性能方面的弱点。不足之处可能需要修改嵌入式天线选择、重新设计接地平面和净空区域和/或匹配电路调谐。

　　结论

　　许多物联网产品的小尺寸和多频操作使天线实施成为一项挑战。每个频率的单独天线和匹配电路可能难以容纳，并且它们增加了复杂性和成本。

　　嵌入式天线提供了一种通过使用单个设备来服务多个频率来节省空间的选项。权衡是地平面、间隙和匹配电路设计变得更加困难。然而，嵌入式天线供应商提供经过验证的设计建议和软件建模工具，可以简化设计周期。即使有这种帮助，任务也不是微不足道的，天线系统设计通常归结为反复测试设计的性能，然后改进布局。