Apabila semakin banyak peranti disambungkan ke Internet secara tanpa wayar, jurutera elektronik berdepan dengan pelbagai cabaran seperti cara memasang pemancar radio ke dalam ruang peralatan sedia ada dan cara mereka bentuk serta mengeluarkan peranti dengan saiz yang semakin kecil. Selain itu, mereka juga berusaha memenuhi kehendak pelanggan terhadap produk IoT (Internet of Things) yang serasi dengan ergonomik, mempunyai kebolehcapaian yang sesuai dan selaras dengan persekitaran.
Apabila produk IoT dipertimbangkan, jangkaan saiz merupakan salah satu pertimbangan yang paling penting, selain daripada sifat radio dan harga yang juga sering diambil kira. Secara ideal, jurutera lebih menggemari komponen IoT yang bersaiz kecil, mempunyai prestasi RF (frekuensi radio) yang cemerlang, dan berharga rendah. Namun begitu, komponen IoT biasanya gagal merangkumi semua kelebihan yang disebutkan di atas, jadi penyedia penyelesaian terpaksa berdepan dengan cabaran.
Mujurlah, memandangkan industri elektronik sentiasa bergantung pada teknologi proses silikon yang serba baharu, beberapa tahun kebelakangan ini telah menyaksikan saiz cip silikon yang semakin kecil. Dengan mengintegrasikan MCU (microprogrammed control unit) dan bahagian hadapan RF ke dalam struktur SoC (system on chip), isu ruang telah berjaya diselesaikan untuk pelaksanaan IoT. Namun begitu, perkembangan ke arah SoC masih belum menyelesaikan isu yang berkaitan dengan struktur fizikal pemancar RF, iaitu antena. Biasanya kami menyerahkan reka bentuk antena kepada pelanggan atau menasihati mereka supaya memilih modul antena yang mudah digunakan dengan antena bersepadu. Ruang untuk antena merupakan satu lagi cabaran yang perlu kami hadapi ketika mereka bentuk peranti IoT yang kecil. Reka bentuk ruang memerlukan kecekapan tinggi dan keupayaan sambungan tanpa wayar yang boleh dipercayai.
Mengapa SoC?
Sebagai 21stabad ini menyaksikan kemunculan awal IoT yang berkembang pesat, industri ini dianggap sebagai M2M (mesin ke mesin). Komponen yang menyumbang kepada saling hubungan IoT terutamanya termasuk modem GPRS, kabel bersiri Bluetooth atau radio Sub-G. Semua reka bentuk memanfaatkan dua komponen utama untuk mencapai sambungan: MCU dan modem tanpa wayar. Ruang minimum yang mencukupi untuk pelaksanaan fungsi asas IoT adalah 50mm dalam semua dimensi, yang bermaksud bahawa saiz semua peranti hanyalah sebesar sebuah telefon bimbit.
Memandangkan industri silikon secara konsisten bergerak ke arah teknologi yang mengintegrasikan fungsi MCU dan RF dalam ruang satu cip, para pembangun mula menerima lebih banyak peluang. Kini, mereka boleh merealisasikan semua fungsi peranti IoT dalam IC/SoC yang sama. Oleh kerana MCU tanpa wayar mempunyai kelebihan yang jelas, sistem komponen IoT mula beralih kepada MCU tanpa wayar. Hasilnya, jurutera dapat mereka bentuk peranti IoT hanya dengan satu jenis komponen dan menjimatkan ruang. Selain itu, mereka dapat mengurangkan kos disebabkan kos komponen yang rendah. Memandangkan struktur peranti IoT moden sudah sedia untuk dipilih, sistem berasaskan SoC akan menjadi lebih popular kerana kelebihan dari segi saiz.
Walau bagaimanapun, trend pembangunan ke arah SoC gagal menyelesaikan isu struktur fizikal, iaitu antena.
Bagaimana Menyusun Antena dan Berapa Banyak Ruang yang Diperlukan?
Harus diakui bahawa antena perlu berdepan dengan kerumitan pada pelbagai dimensi kerana kedua-dua saiz dan kecekapan perlu dipertimbangkan. Oleh sebab kos BOM (bill of material) adalah agak rendah, adalah perkara biasa antena direka melalui pengesanan PCB untuk reka bentuk IoT. Namun begitu, antena PCB memerlukan saiz yang ketara yang biasanya berada dalam julat 25mm×15mm, menyebabkan volum produk IoT menjadi besar. Antena ini juga mempunyai satu lagi kelemahan apabila digunakan dalam modul, iaitu ia sangat sensitif terhadap penyahlarasan akibat bahan perisai dan perlu dipertimbangkan secara khusus dalam proses pemasangan produk akhir supaya dapat mencapai keadaan kerja yang optimum. Dalam reka bentuk SoC, sebagai sebahagian daripada reka bentuk biasa, penalaan antena diperoleh bergantung pada beberapa pengetahuan khusus. Dalam reka bentuk ini, tiada perbezaan antara antena PCB dan antena lain.
Pengeluar antena sejak sekian lama telah menyediakan "antena cip" bagi memudahkan kerja reka bentuk. Selain itu, jenis antena ini mempunyai kelebihan dari segi saiz. Kategori antena ini terutamanya disediakan melalui cara berikut:
a. Antena tidak digandingkan dengan GND. Jenis antena ini memerlukan julat kelegaan dengan saiz yang agak besar. Contoh tipikal bagi jenis antena ini termasuk antena unipol dan antena flip-F.
b. Antena digandingkan dengan GND. Jenis antena ini hanya perlu menyediakan julat kelegaan yang agak kecil atau tidak memerlukan antena langsung.
Kedua-dua jenis antena mempunyai julat kelegaan atau satah pembumian dan keperluan ruang dari segi saiz PCB. Ruang yang diperuntukkan oleh komponen RF dalam reka bentuk IoT juga harus merangkumi julat kelegaan yang diperlukan kerana sebarang komponen atau jejak tidak boleh diletakkan di sini, yang bermaksud apabila pereka bentuk menganggarkan saiz peralatan IoT, saiz PCB dan julat kelegaan perlu dipastikan serasi dengan antena. Selain itu, jarak tertentu perlu dikekalkan antara antena dan tepi perisai.
Apabila peranti IoT direka dengan saiz sebesar sel butang, kecekapan antena pasti akan terjejas. Apabila kita cuba mengecilkan saiznya, kecekapan untuk mencapai prestasi RF akan turut berkurangan. Prestasi peranti dengan dimensi kurang daripada 10mm pada semua arah tidak akan dapat dicapai sehinggalah pada frekuensi 2.4GHz. Sebagai contoh, sambungan Bluetooth melebihi 10 meter boleh disediakan kepada pengguna telefon bimbit, yang diterima oleh majoriti.
Walau bagaimanapun, apabila saiz dalam semua arah menghampiri 20mm, kecekapan RF akan meningkat dengan ketara. Apabila ia menghampiri 40mm, kecekapan tinggi pelbagai antena dengan penalaan pembumian yang dicapai akan meningkat ke tahap tertinggi.
Selepas itu bermakna jarak komunikasi antara dua peranti setara hendaklah berada dalam julat dari 60mm hingga 400mm selaras dengan protokol Bluetooth 4.2. Apabila protokol 15.4 (contohnya Zigbee) digunakan, jarak komunikasi terpanjang dalam jarak penglihatan boleh mencapai 500 meter atau lebih. Oleh itu, pereka bentuk perlu mengimbangi saiz PCB serta prestasi dan kecekapan antena berdasarkan perbezaan aplikasi dan saiz sasaran kerana kebanyakan antena cip menganggap satah pembumian PCB sebagai satu bahagian daripada konfigurasi antena. Selain itu, kedudukan antena/modul juga memainkan peranan penting dalam fasa reka bentuk supaya pereka bentuk perlu mempertimbangkan julat kelegaan untuk mencapai pembumian modul yang optimum.
