IoT 設計におけるアンテナ設計の考慮事項

ますます多くのデバイスが無線でインターネットに接続されるにつれて、電子技術者は、現在の機器スペースに合わせて無線送信機を組み立てる方法や、ますます小型化するデバイスを設計および製造する方法など、多くの課題に直面しています。さらに、人間工学、適切なアクセシビリティ、環境との調和と互換性のある IoT (モノのインターネット) 製品に対する顧客の要求を満たすよう努めています。

IoT 製品を検討する場合、予想されるサイズは最も重要な考慮事項の 1 つですが、無線特性と価格も一般的に考慮されます。理想的には、エンジニアは、サイズが小さく、優れた RF (無線周波数) 性能を備え、低価格の IoT コンポーネントを好みます。ただし、通常、IoT コンポーネントには上記のすべての利点が含まれていないため、ソリューション プロバイダーは課題に直面する必要があります。

幸いなことに、エレクトロニクス産業は常にまったく新しいシリコン プロセス技術に依存しているため、近年、シリコン チップのサイズがますます小さくなっています。 MCU (マイクロプログラム制御ユニット) と RF フロント エンドを SoC (システム オン チップ) 構造に統合することで、IoT 実装のスペースの問題が解決されました。しかし、SoCへの発展の流れは、RF送信機、つまりアンテナの物理的な構造に関する問題を解決していません。通常、アンテナの設計はお客様に任せるか、アンテナが統合された使いやすいアンテナ モジュールを選択するようアドバイスします。アンテナ用のスペースは、小さな IoT デバイスを設計する際に直面しなければならないもう 1 つの課題です。空間設計には、高効率と信頼性の高いワイヤレス接続機能が必要です。

SoC を選ぶ理由

21 ^st として IoT が最初に隆盛を迎えた世紀、業界は M2M (マシン ツー マシン) と見なされていました。 IoT 相互接続に貢献するコンポーネントには、主に GPRS モデム、Bluetooth シリアル ケーブル、または Sub-G 無線が含まれます。すべての設計は、接続を実現するために、MCU とワイヤレス モデムという 2 つの主要なコンポーネントを利用しています。基本的な IoT 機能の実装に十分な最小スペースは、すべての寸法で 50 mm です。つまり、すべてのデバイスのサイズは、携帯電話のサイズと同じです。

シリコン業界が一貫して MCU と RF 機能を 1 つのチップのスペースに統合するテクノロジに移行するにつれて、開発者はより多くの機会を受け入れ始めています。今では、IoT デバイスのすべての機能を同じ IC/SoC 内で実現することができます。ワイヤレス MCU には明らかな利点があるため、IoT コンポーネント システムはワイヤレス MCU に移行し始めています。その結果、エンジニアは 1 種類のコンポーネントのみを使用して IoT デバイスを設計し、スペースを節約できます。さらに、部品のコストが低いため、コストを削減できます。最新の IoT デバイスの構造が選択される準備ができているため、SoC ベースのシステムは、サイズの利点により、より一般的になります。

それにもかかわらず、SoC への開発傾向は物理構造の問題、つまりアンテナを解決できません。

アンテナの配置方法と必要なスペースは?

サイズと効率の両方を考慮する必要があるため、アンテナは多次元の複雑さに直面しなければならないことを認めなければなりません。 BOM (部品表) コストが比較的低いため、アンテナは IoT 設計用の PCB トレースによって設計されるのが一般的です。しかし、PCB アンテナには、通常 25mm×15mm の範囲内の顕著なサイズ要件が要求され、IoT 製品のボリュームが大きくなります。アンテナには、モジュールに適用する場合の別の欠点もあります。つまり、アンテナは、シールド材料の結果としての離調に非常に敏感であり、最適な動作状態に到達するために、最終製品の組み立てのプロセスで特に考慮する必要があります。 SoC設計では、通常の設計の一環として、ある程度の専門知識によってアンテナのチューニングが得られます。設計上、PCB アンテナと他のアンテナに違いはありません。

アンテナメーカーは、設計作業を簡素化するために「チップアンテナ」を提供してきました。さらに、このタイプのアンテナは、サイズの点で利点があります。このカテゴリのアンテナは、主に次の方法で提供されます。
a.アンテナは GND と切り離されています。このタイプのアンテナは、比較的大きなサイズのクリアランス レンジを必要とします。このタイプのアンテナの代表例としては、ユニポールアンテナやフリップFアンテナが挙げられる。
b. GNDに結合されたアンテナ。このタイプのアンテナは、比較的狭い範囲のクリアランスを提供するだけでよいか、アンテナをまったく必要としません。

どちらのタイプのアンテナも、PCB サイズに関して、クリアランス範囲または接地面とスペース要件を備えています。 IoT 設計で RF コンポーネントによって呼び出されるスペースには、コンポーネントやトレースをここに残すことはできないため、必要なクリアランス範囲も含める必要があります。アンテナ。さらに、アンテナとシールド エッジの間に一定のスペースを維持する必要があります。

IoT デバイスをボタン電池のサイズに設計すると、アンテナ効率が確実に低下します。サイズを小さくしようとすると、RF 性能を達成するための効率が低下します。すべての寸法が 10mm 未満のデバイスの性能は、周波数が 2.4GHz になるまで達成されません。たとえば、10 メートルを超える Bluetooth 接続を携帯電話ユーザーに提供できますが、これは多数派に受​​け入れられています。

しかし、全方向のサイズが 20mm に近づくと、RF の効率は劇的に向上します。 40mmに近づくと、数多くのアンテナの接地チューニングの高効率が最高潮に達します。

これは、2 つの同等のデバイス間の通信距離が、Bluetooth 4.2 プロトコルに従って 60mm から 400mm の範囲内にある必要があることを意味します。 15.4 プロトコル (Zigbee など) が適用されると、可視範囲内の最長通信距離は 500 メートル以上に達する可能性があります。したがって、ほとんどのチップ アンテナはすべて PCB 接地面をアンテナ構成の 1 つのセクションとみなすため、設計者は PCB サイズとアンテナの性能と効率のバランスを、アプリケーションと対象サイズの違いに基づいて調整する必要があります。さらに、アンテナ/モジュールの位置も設計段階で重要な役割を果たすため、設計者はモジュールの最適な接地を実現するためにクリアランス範囲を考慮する必要があります。