Проблема интеграции антенны в небольшие устройства Интернета вещей

Интернет вещей (IoT) — это технологическая тенденция, меняющая парадигму, в которой предметы повседневного обихода, от холодильников до часов, превращаются в интеллектуальные устройства с подключением к Интернету. Эти объекты могут обмениваться данными друг с другом, что позволяет автоматизировать и улучшить многие аспекты повседневной жизни.

Антенны играют решающую роль в этих устройствах. Антенна — это устройство, преобразующее электромагнитное излучение в электрический ток или наоборот. Эта функция имеет решающее значение для того, чтобы устройства IoT могли взаимодействовать и обмениваться данными друг с другом по беспроводной сети, тем самым облегчая взаимосвязанность, которая определяет Интернет вещей.

Однако, учитывая множество ограничений и соображений, интеграция антенн в эти небольшие устройства Интернета вещей (рис. 1) представляет собой серьезную проблему.

В мире Интернета вещей маленькое — это новое большое: потребителям нужны компактные, ненавязчивые устройства, а производители стремятся им соответствовать. Эти ограничения по размеру представляют собой серьезное препятствие для интеграции антенн.

Антенны работают на основе резонанса на определенной частоте, и их размер обычно пропорционален длине волны частоты, на которой они предназначены для работы. Например, дипольная антенна, работающая в диапазоне частот 2,4 ГГц, в идеале должна иметь длину примерно 6,25 см — размер, который часто невозможен для компактных устройств Интернета вещей.

Пространство внутри небольшого устройства IoT переполнено, что представляет собой сложную задачу по интеграции антенны. Антенна должна функционировать в непосредственной близости от других компонентов, таких как процессоры, батареи и датчики. Эти компоненты могут мешать работе антенны, влияя на ее производительность и, в конечном итоге, на функциональность устройства.

Например, металлический корпус батареи, часто самый крупный компонент в компактном устройстве IoT, может нарушить работу антенны двумя способами: он может либо расстроить антенну, изменив ее рабочую частоту, либо из-за своего размера экранировать антенну, уменьшая эффективную диаграмму направленности и ослабляя связь устройства.

Точно так же процессоры, особенно работающие на высоких частотах, генерируют значительный электромагнитный шум. Когда антенна находится в непосредственной близости, она может уловить этот шум, который мешает ее приему и передаче сигналов.

Стремление к меньшим и более компактным устройствам Интернета вещей отлично подходит для портативности и стиля, но имеет недостатки, когда дело касается производительности антенн. Поскольку эти устройства становятся меньше, антенны внутри них также должны уменьшаться. Такое уменьшение размера может негативно повлиять на многие важные особенности работы антенны.

Некоторые из пагубных последствий миниатюризации на характеристики антенны включают:

Существует несколько потенциальных решений этих проблем:

SoC объединяют микроконтроллер (MCU) и радиочастотный интерфейс в одном кремниевом кристалле. Объединив эти две функции, SoC эффективно использует ограниченное пространство внутри устройства IoT. Это преимущество экономии пространства является ключевой причиной, по которой устройства Интернета вещей все чаще проектируются на основе беспроводных микроконтроллеров.

Несмотря на эти преимущества, SoC не могут решить все проблемы: физический размер антенны по-прежнему ограничен длиной волны и частотой, на которой она работает, а расстройка — сдвиг рабочей частоты антенны, вызванный расположенными рядом компонентами, — остается серьезной проблемой. .

Другим потенциальным решением является объединение SoC с антеннами на печатной плате или чип-антеннами.

Трассирующая антенна для печатной платы — это антенна, проводник которой выгравирован на поверхности печатной платы (рис. 2). Они экономически эффективны, но занимают значительное пространство и, следовательно, создают громоздкие устройства IoT. С другой стороны, чип-антенны представляют собой меньшие по размеру компоненты для поверхностного монтажа, которые позволяют экономить место. Однако, в зависимости от того, подключены они к заземляющему экрану или нет, им может потребоваться значительная площадь свободного пространства.

При использовании этих типов антенн разработчикам необходимо учитывать различные факторы для оценки размера устройства Интернета вещей. К ним относятся размеры печатной платы, необходимые для антенны, необходимые зазоры и расстояние между антенной и краем корпуса устройства.