Da immer mehr Geräte drahtlos mit dem Internet verbunden werden, stehen Elektronikingenieure vor zahlreichen Herausforderungen, etwa wie Funksender in den vorhandenen Geräteraum integriert werden können und wie sich Geräte mit immer kleineren Abmessungen entwerfen und herstellen lassen. Darüber hinaus bemühen sie sich, die Anforderungen der Kunden an IoT‑(Internet of Things-)Produkte zu erfüllen, die mit der Ergonomie vereinbar sind, eine geeignete Benutzerfreundlichkeit bieten und im Einklang mit der Umwelt stehen.
Wenn es um IoT-Produkte geht, ist die Größenerwartung eine der wichtigsten Überlegungen; daneben werden üblicherweise auch die Funkeigenschaften und der Preis berücksichtigt. Im Idealfall bevorzugen Ingenieure IoT-Komponenten mit kleiner Baugröße, exzellenter HF- (Hochfrequenz-) Leistung und niedrigen Preisen. Allerdings gelingt es IoT-Komponenten in der Regel nicht, all diese genannten Vorteile zu vereinen, sodass Lösungsanbieter mit Herausforderungen konfrontiert sind.
Glücklicherweise ist die Elektronikindustrie ständig auf völlig neue Silizium-Prozesstechnologien angewiesen, sodass in den letzten Jahren immer kleinere Siliziumchips entstanden sind. Durch die Integration von MCU (Microprogrammed Control Unit) und HF-Frontend in eine SoC-Struktur (System on Chip) wurde das Platzproblem für die IoT-Implementierung erfolgreich gelöst. Der Entwicklungstrend hin zu SoCs hat jedoch das Problem in Bezug auf die physische Struktur des HF-Senders, also der Antenne, nicht gelöst. In der Regel überlassen wir das Antennendesign den Kunden oder raten ihnen, ein einfach zu verwendendes Antennenmodul mit integrierter Antenne zu wählen. Der Platz für die Antenne ist eine weitere Herausforderung, der wir uns bei der Entwicklung kleiner IoT-Geräte stellen müssen. Das Platzdesign erfordert einen hohen Wirkungsgrad und eine zuverlässige Fähigkeit zur drahtlosen Verbindung.
Warum SoC?
Als 21stIm frühen 21. Jahrhundert, als das IoT erstmals aufblühte, wurde die Branche als M2M (Machine-to-Machine) bezeichnet. Die Komponenten, die zur IoT‑Vernetzung beitragen, umfassen hauptsächlich GPRS‑Modem, Bluetooth‑Seriellkabel oder Sub‑G‑Funk. Alle Designs nutzen zwei führende Komponenten zur Realisierung der Verbindung: MCU und drahtloses Modem. Der minimale Raum, der für die Implementierung grundlegender IoT‑Funktionen ausreicht, liegt bei 50 mm in allen Dimensionen, was bedeutet, dass die Größe aller Geräte in etwa der eines Mobiltelefons entspricht.
Da die Halbleiterindustrie konsequent auf Technologien zusteuert, die MCU- und RF‑Funktionen in einem einzigen Chip integrieren, eröffnen sich für Entwickler immer mehr Möglichkeiten. Nun können sie alle Funktionen von IoT‑Geräten innerhalb desselben IC/SoC realisieren. Da drahtlose MCUs offensichtliche Vorteile bieten, beginnt sich das IoT‑Komponentensystem in Richtung drahtloser MCUs zu wandeln. Dadurch sind Ingenieure in der Lage, IoT‑Geräte nur mit einer einzigen Art von Komponenten zu entwerfen und so Platz zu sparen. Darüber hinaus können sie die Kosten senken, da die Komponenten selbst kostengünstig sind. Da die Strukturen moderner IoT‑Geräte zur Auswahl bereitstehen, werden auf SoCs basierende Systeme aufgrund ihres Größenvorteils immer beliebter werden.
Nichtsdestotrotz gelingt es dem Entwicklungstrend hin zu SoC nicht, das Problem der physischen Struktur, nämlich der Antenne, zu lösen.
Wie richtet man die Antenne aus und wie viel Platz wird benötigt?
Es muss eingeräumt werden, dass die Antenne mit Komplexität in mehreren Dimensionen konfrontiert ist, da sowohl Größe als auch Effizienz berücksichtigt werden müssen. Da die BOM‑Kosten (Bill of Materials) relativ niedrig sind, ist es üblich, dass die Antenne für IoT‑Designs über PCB‑Leiterbahnen realisiert wird. Allerdings stellt eine PCB‑Antenne erhebliche Anforderungen an die Größe, die sich üblicherweise im Bereich von 25 mm × 15 mm bewegt, was dazu führt, dass das Volumen des IoT‑Produkts groß wird. Die Antennen weisen bei der Verwendung in Modulen einen weiteren Nachteil auf: Sie sind aufgrund von Abschirmmaterial sehr empfindlich gegenüber Verstimmung und müssen im Prozess der Endmontage des Produkts speziell berücksichtigt werden, um den optimalen Betriebszustand zu erreichen. Im SoC‑Design wird das Abstimmen der Antenne als Teil des normalen Designs mithilfe speziellen Fachwissens vorgenommen. In diesen Designs gibt es keinen Unterschied zwischen einer PCB‑Antenne und anderen Antennen.
Antennehersteller bieten seit Langem „Chip-Antennen“ an, um die Entwicklungsarbeit zu vereinfachen. Darüber hinaus zeichnet sich dieser Antennentyp durch Vorteile in Bezug auf die Größe aus. Diese Kategorie von Antennen wird in erster Linie auf folgende Weise bereitgestellt:
a. Antenne nicht mit GND gekoppelt. Dieser Antennentyp erfordert einen Freiraumbereich mit relativ großer Größe. Typische Beispiele für diesen Antennentyp sind die Unipolantenne und die Flip-F-Antenne.
b. Antenne mit GND gekoppelt. Dieser Antennentyp muss nur einen relativ kleinen Freiraumbereich bereitstellen oder benötigt überhaupt keine Antenne.
Beide Antennentypen weisen einen Freiraumbereich bzw. eine Massefläche und Platzanforderungen in Bezug auf die Leiterplattengröße auf. Der von HF‑Komponenten im IoT‑Design beanspruchte Raum sollte auch den erforderlichen Freiraumbereich einschließen, da sich dort keine Bauteile oder Leiterbahnen befinden dürfen. Das bedeutet, dass bei der Abschätzung der Größe von IoT‑Geräten die Leiterplattengröße und der Freiraumbereich in Einklang mit der Antenne berücksichtigt werden müssen. Außerdem sollte ein bestimmter Abstand zwischen der Antenne und der Abschirmkante eingehalten werden.
Wenn IoT‑Geräte in der Größe einer Knopfzelle konstruiert werden, wird die Antenneneffizienz definitiv beeinträchtigt. Wenn wir versuchen, ihre Größe weiter zu verringern, wird die Effizienz zur Erreichung der HF‑Leistung entsprechend reduziert. Die Leistung eines Geräts mit weniger als 10 mm in allen Abmessungen kann erst bei einer Frequenz von 2,4 GHz erreicht werden. Zum Beispiel kann eine Bluetooth‑Verbindung über 10 Meter für Mobiltelefonnutzer bereitgestellt werden, was von der Mehrheit akzeptiert wird.
Wenn jedoch die Größe in allen Richtungen 20 mm erreicht, wird die Effizienz der HF deutlich erhöht. Wenn sie sich 40 mm nähert, steigt die hohe Effizienz zahlreicher Antennen mit erzielter Erdungsabstimmung auf ihr Maximum.
Das bedeutet anschließend, dass der Kommunikationsabstand zwischen zwei gleichwertigen Geräten gemäß dem Bluetooth-4.2-Protokoll im Bereich von 60 mm bis 400 mm liegen sollte. Sobald das 15.4-Protokoll (zum Beispiel Zigbee) angewendet wird, kann die größte Kommunikationsentfernung innerhalb der Sichtlinie 500 Meter oder mehr erreichen. Daher müssen Entwickler die Leiterplattengröße sowie die Leistung und Effizienz der Antenne auf Basis der unterschiedlichen Anwendungen und der angestrebten Größe ausbalancieren, da die meisten Chipantennen die Massefläche der Leiterplatte als einen Teil der Antennenkonfiguration betrachten. Darüber hinaus spielt auch die Position der Antenne/des Moduls in der Entwurfsphase eine entscheidende Rolle, sodass Entwickler den Freiraumbereich berücksichtigen müssen, um eine optimale Masseanbindung des Moduls zu erreichen.
