【技术大神】基于集成天线谈Silicon Labs的物联网微型化设计

尺寸带来的挑战

当我们把越来越多的设备通过无线网络连接到英特网，电子工程师们面临下列挑战：如何将无线收发器集成进他们已有的设备以及如何制造更小尺寸的设备。他们同时也努力满足客户物联网（IOT）产品的需求，这些产品既要求满足人体工程学同时又要与应用环境相适应；

除了天线特性和成本外，尺寸是在设计物联网设备最常考虑的问题。一般而言，工程师们更愿意使用尽可能小型，更好射频特性以及成本合理的IOT元件。但通常物联网设备并不满足这些要求，这些需求给方案解决商们带来了挑战。

幸运的是这些年来厂商们采用了新的生产工艺后硅片尺寸越做越小。厂商通过将MCU和射频前端集成到片上系统（SoC）已经解决物联网应用中的空间问题；但是SoC的发展并没有解决射频收发器（天线）的尺寸问题，天线设计通常留给消费者来解决。天线需要的尺寸对于设计微型物联网设备来说是一个挑战。它需要在保持可靠无线连接的同时能够高效。为此本文将围绕集成天线重点讨论。

为什么使用SoC

当第一波物联网潮在2000年左右掀起的时候这种产业被称为机器对机器(M2M)，物联网当时的主要应用是GPRS调制器，蓝牙无线传输方式串口线替换方案和Sub-G专用无线电。这些设计有两个主要元件需要连接：MCU和无线调制器。要满足物联网最基本的功能要求所需要的空间每个维度上至少50mm，意味着这些设备至少有一个移动手机那么大。

当硅工业能够将MCU和射频功能集成到一片硅片上时，开发商们新的机会出现了。现在他们能够将物联网设备的功能做到一块IC或者SoC上。物联网元件的架构由于显而易见的好处转移到无线MCU上—工程师们能够使用单个元件设计出物联网设备，节省出来珍贵的空间，同时也由于更低的元件成本节省了钱。在选择调制器物联网设备的架构时由于尺寸上的优势基于SoC的系统方案往往更好。但是SoC的发展并没有解决射频传输（天线）的物理结构问题。

天线怎么样？适用多大空间

高度集成的SoC新时代留给开发者们一些问题：天线怎么样？我应该给天线留多少空间？我该选哪种天线或者我是否应该用个已经集成了天线的模块？在我们需要不仅考虑尺寸和效率同时还要考虑失谐问题的时候天线问题往往会复杂数倍，特别是在那些使用不同的机壳却使用同样的天线结构的应用。

对于在物联网设计中需要节省物料成本的时候使用PCB印制线来做天线（板载天线）很常见，比如说倒F型天线。但是这种印制线做的天线需要占很大尺寸，通常有25mm*15mm那么大，最终会让设计出的物联网设备看起来很大。

如果这些天线集成在模块里还有另外一个缺点：它们对机壳材料引起谐波非常敏感并且需要在最后的产品设计中为了让设备工作在最佳状态还需要特殊处理。而使用SoC进行设计天线谐波只是常规设计流程的一部分且只需要一些普通经验。这些设计中印制线天线和其他天线并没有不同。

图示：印制线做的天线有尺寸要求，通常25mm*15mm那么大，最后设计出的物联网设备看起来很大

天线厂商对于有时需要简化设计的需求时会提供“芯片天线”，它们的尺寸具有优势。这些片上天线主要提供两种方式：

• 不耦合到地层并且需要一块相连的大的空白区域的天线（或者远离地层和元件）。这类型天线的例子是单极和倒F型天线.

• 耦合到地并且在天线下面需要一块相对较小的空白区域（间隙）抑或完全不需要空白间隙。

两种天线类型都有对空白区域，地层和PCB尺寸的空间要求。对于物联网设计中的射频部分所需要的空间要包括这些空白区域，因为没有元件或者印制线能够布置在这里。这意味着当设计者需要对设备的尺寸进行估计时，他们需要注意天线的PCB尺寸和需要的空白区域，同时也需要注意将天线和机壳边缘保持一定的距离。

当设计只有一个纽扣电池大小的物联网设备时往往需要对天线的效率做出妥协。我们将尺寸做得越小，射频性能的效率也就越差。尺寸小于10mm的设备能在2.4GHz的带宽上获得性能，为用户使用手机提供大约10m的蓝牙连接，对于大多数物联网设备来说都是可接受的。

但是当尺寸接近20mm的时候，射频的效率显得重要起来，提供10-40m的有效手机接收范围需要依赖环境情况。当尺寸达到40mm的时候天线的最佳效率加上地层的尺寸的布局，使得天线获得最佳性能表现。

这意味着使用蓝牙4.2协议，两个设备间可互联的距离大概在40-400m。

当使用15.4协议比如说ZigBee的时候，这个距离在直线方向上能够达到500m以上。因此基于应用和目标尺寸，设计者需要了解天线性能效率和PCB尺寸之间的关系，因为大多数片内天线会使用PCB地层作为天线配置的一部分。此外天线/模块在设计中的位置也非常重要，设计者需要考虑空白区域，模块接地的最佳位置。

图示：印制线天线对空间有很多要求。天线的空白区域， BGM121 SiP模块大地层离PCB边缘的距离也影响着射频性能。 

外置天线怎么样？

根据Blegiga模块在设计流程的应用统计来看，针对几种不同的天线封装有近50%的IOT消费者考虑外置天线的性能和可行性（集成进机壳的天线案例 U.FI 连接器）。但是大约只有10%的设计使用了外置天线，90%的消费者选择内置片内天线的模块。这背后是什么原因？为什么工程师们不在他们的设计中使用外置天线？问题的答案主要来自两个方面。首先，外置天线的结构在设计中非常不友好；

他们看起来很丑并且当设备掉落时非常容易坏。这些天线同时增加了物料和装配成本。同时对比使用片内天线和外置天线的射频应用设计来看，以一个U.FI天线连接器举例来说使用外置天线并没有好处。

如果设备外壳是金属的时候外置天线的好处显而易见，这样会形成一个法拉第电笼，让射频信号难以穿透设备。同时对于外置天线的应用这也需要绝对的最佳性能表现以及装配成本和结构设计。

机壳应该如何封装？

当设计一个带天线的IOT设备时，结构和机壳设计在避免天线或者引起天线谐振时扮演非常重要的角色。天线扫频时的射频辐射会受材料的距离影响。当它接触到金属甚至塑料时会失谐。因此天线需要与机壳或者金属隔离开来。不同类型的天线，提供不同程度的失谐敏感性。单极类型的天线比地耦合的天线更敏感。

Siliconlabs实验室最近在SiP模块封装上的革新解决了失谐的问题，因为这种天线已经考虑了基板与塑料外壳附近的失谐，设计者能够在他的设计中随意摆放SiP模块，大大减少设备的尺寸。

系统化封装（SiP）的可行性

SILICON LABS实验室将物联网SoC的经验和Bluegiga天线设计经验结合创造出了一个SiP模块，该模块具有SoC模块的优势且超小封装。整个设计封装的尺寸考虑了天线空白区域，仅仅50mm2大一点。这意味着给设计中的其他元件留足了空间，为设计出真正紧凑的IOT设备提供了可行性。

BGM12x SiP模块在蓝牙低功耗技术应用中设计了最小的封装。在6.5x 6.5的尺寸中提供完善的应用方案，包括基于ARM ® Cortex ™ - M4F的MCU，大量的闪存和RAM，一个集成天线和5.0 mm x 3.0 mm的超小空白区域实现高性能应用。

SiP模块在实际应用中也集成被动元件，让设计者远离射频相关的困扰。SiP模块对可穿戴设备和家居自动化系统设计非常理想，这些终端设备的设计需要轻薄小巧，比方说运动设备，健康设备和可穿戴设备等。

使用SiP模块时产品尺寸优化的应用方法

1为便于协议升级和维护可使用搭载以闪存为基础的架构的SoC的SiP模块。

2.有PCB空白区域小尺寸需求时可使用高度集成的小型化SiP模块。

3.为使天线临近机壳时不会偏调可使用高度集成的SiP模块。

4.严格遵照布线指南。注意空白区域大小的精确，SiP模块的摆放位置以及离PCB边缘的距离。

技术顾问：惠惠

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