เมื่อมีอุปกรณ์จำนวนมากขึ้นเชื่อมต่อเข้าสู่อินเทอร์เน็ตแบบไร้สาย วิศวกรอิเล็กทรอนิกส์ต้องเผชิญกับความท้าทายมากมาย เช่น วิธีการติดตั้งเครื่องส่งสัญญาณวิทยุให้ประกอบเข้ากับพื้นที่ของอุปกรณ์ที่มีอยู่ และวิธีการออกแบบและผลิตอุปกรณ์ที่มีขนาดเล็กลงเรื่อย ๆ นอกจากนี้ พวกเขายังพยายามตอบสนองความต้องการของลูกค้าเกี่ยวกับผลิตภัณฑ์ IoT (Internet of Things) ที่สอดคล้องตามหลักการยศาสตร์ เข้าถึงได้อย่างเหมาะสม และกลมกลืนกับสิ่งแวดล้อม
เมื่อพิจารณาผลิตภัณฑ์ IoT ขนาดที่คาดหวังถือเป็นหนึ่งในปัจจัยสำคัญที่สุด นอกเหนือจากนั้นยังมักคำนึงถึงคุณสมบัติด้านวิทยุและราคาโดยทั่วไป ในอุดมคติแล้ว วิศวกรจะชอบส่วนประกอบ IoT ที่มีขนาดเล็ก ประสิทธิภาพ RF (ความถี่วิทยุ) ที่ยอดเยี่ยม และมีราคาต่ำ อย่างไรก็ตาม ส่วนประกอบ IoT มักไม่สามารถรวมข้อดีทั้งหมดที่กล่าวมาข้างต้นไว้ได้ครบถ้วน ผู้ให้บริการโซลูชันจึงต้องเผชิญกับความท้าทาย
โชคดีที่อุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์ต้องพึ่งพาเทคโนโลยีกระบวนการผลิตซิลิคอนแบบใหม่อยู่เสมอ ตลอดช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา ขนาดของชิปซิลิคอนได้มีแนวโน้มเล็กลงเรื่อย ๆ โดยการผสาน MCU (microprogrammed control unit) และ RF front end เข้ากับโครงสร้าง SoC (system on chip) ทำให้ปัญหาเรื่องพื้นที่สำหรับการใช้งาน IoT ได้รับการแก้ไขอย่างสำเร็จ อย่างไรก็ตาม แนวโน้มการพัฒนาไปสู่ SoC ยังไม่สามารถแก้ปัญหาในส่วนโครงสร้างทางกายภาพของตัวส่งสัญญาณ RF ได้ นั่นคือ เสาอากาศ โดยปกติแล้วเรามักจะปล่อยให้ลูกค้าออกแบบเสาอากาศเอง หรือแนะนำให้เลือกใช้โมดูลเสาอากาศที่ใช้งานง่ายและมีเสาอากาศในตัว พื้นที่สำหรับเสาอากาศจึงเป็นอีกหนึ่งความท้าทายที่เราต้องเผชิญเมื่อออกแบบอุปกรณ์ IoT ขนาดเล็ก การออกแบบพื้นที่ต้องรองรับทั้งประสิทธิภาพสูงและความสามารถในการเชื่อมต่อไร้สายที่เชื่อถือได้
ทำไมต้องเป็น SoC?
ในฐานะที่อายุ 21 ปีสตศตวรรษนี้ได้เห็นการเริ่มต้นเบ่งบานของ IoT โดยอุตสาหกรรมถูกมองว่าเป็น M2M (machine to machine) องค์ประกอบที่มีส่วนช่วยในการเชื่อมต่อระหว่างกันของ IoT ประกอบด้วยโมเด็ม GPRS สายอนุกรมบลูทูธ หรือวิทยุ Sub-G การออกแบบทั้งหมดใช้ประโยชน์จากสององค์ประกอบหลักเพื่อให้บรรลุการเชื่อมต่อ ได้แก่ MCU และโมเด็มไร้สาย พื้นที่ขั้นต่ำที่เพียงพอสำหรับการใช้งานฟังก์ชันพื้นฐานของ IoT อยู่ที่ 50 มม. ในทุกมิติ ซึ่งหมายความว่าขนาดของอุปกรณ์ทั้งหมดมีเพียงเท่ากับโทรศัพท์มือถือ
เนื่องจากอุตสาหกรรมซิลิคอนกำลังก้าวไปสู่เทคโนโลยีที่ผสานการทำงานของ MCU และ RF เข้าไว้ในชิปเดียวอย่างต่อเนื่อง นักพัฒนาจึงเริ่มมีโอกาสมากขึ้น ตอนนี้พวกเขาสามารถทำให้ฟังก์ชันทั้งหมดของอุปกรณ์ IoT ทำงานได้ภายใน IC/SoC เดียว เนื่องจาก MCU แบบไร้สายมีข้อได้เปรียบที่ชัดเจน ระบบส่วนประกอบของ IoT จึงเริ่มเปลี่ยนไปสู่ MCU แบบไร้สาย ส่งผลให้วิศวกรสามารถออกแบบอุปกรณ์ IoT โดยใช้ส่วนประกอบเพียงประเภทเดียวและประหยัดพื้นที่ได้มากขึ้น นอกจากนี้ยังสามารถลดต้นทุนลงได้เนื่องจากต้นทุนของส่วนประกอบต่ำ เมื่อโครงสร้างของอุปกรณ์ IoT สมัยใหม่พร้อมให้เลือกใช้งานแล้ว ระบบที่ใช้ SoC จะได้รับความนิยมมากขึ้นเนื่องจากมีข้อได้เปรียบด้านขนาด
อย่างไรก็ตาม แนวโน้มการพัฒนาไปสู่ SoC ไม่สามารถแก้ปัญหาโครงสร้างทางกายภาพได้ กล่าวคือ เสาอากาศ
วิธีจัดวางเสาอากาศและต้องใช้พื้นที่เท่าใด?
ต้องยอมรับว่าเสาอากาศต้องเผชิญกับความซับซ้อนในหลายมิติ เนื่องจากต้องคำนึงถึงทั้งขนาดและประสิทธิภาพ เนื่องจากต้นทุน BOM (bill of material) ค่อนข้างต่ำ การออกแบบเสาอากาศด้วยการวาดลายบน PCB จึงเป็นเรื่องที่พบได้บ่อยในการออกแบบ IoT อย่างไรก็ตาม เสาอากาศแบบ PCB ต้องการขนาดที่ค่อนข้างมาก โดยปกติจะอยู่ในช่วงประมาณ 25 มม. × 15 มม. ทำให้ปริมาตรของผลิตภัณฑ์ IoT มีขนาดใหญ่ขึ้น เสาอากาศเหล่านี้ยังมีข้อเสียอีกประการหนึ่งเมื่อถูกนำไปใช้ในโมดูล คือมีความไวต่อการดีจูนอย่างมากอันเป็นผลมาจากวัสดุของชิลด์ และจำเป็นต้องได้รับการพิจารณาเป็นพิเศษในกระบวนการประกอบผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้ายเพื่อให้สามารถทำงานได้ในสภาวะที่เหมาะสมที่สุด
ในการออกแบบ SoC การจูนเสาอากาศถือเป็นส่วนหนึ่งของการออกแบบทั่วไป ซึ่งต้องอาศัยความรู้เฉพาะทางบางอย่าง ในการออกแบบเหล่านี้ เสาอากาศแบบ PCB ไม่ได้แตกต่างจากเสาอากาศประเภทอื่น
ผู้ผลิตเสาอากาศได้จัดหา “ชิปแอนเทนนา” มาเป็นเวลานานเพื่อทำให้งานออกแบบง่ายขึ้น นอกจากนี้ เสาอากาศประเภทนี้ยังมีข้อดีในด้านขนาด เสาอากาศในหมวดหมู่นี้โดยหลักแล้วมีการจัดหาในรูปแบบต่อไปนี้:
a. เสาอากาศไม่เชื่อมต่อกับกราวด์เสาอากาศประเภทนี้ต้องการระยะห่างที่ค่อนข้างกว้าง ตัวอย่างทั่วไปของเสาอากาศประเภทนี้ได้แก่ เสาอากาศยูนิโพลและเสาอากาศแบบพลิก-F
b. เสาอากาศเชื่อมต่อกับกราวด์เสาอากาศประเภทนี้จำเป็นต้องมีระยะห่างที่ค่อนข้างน้อยเท่านั้น หรืออาจไม่จำเป็นต้องใช้เสาอากาศเลย
เสาอากาศทั้งสองประเภทมีระยะเคลียร์รันซ์หรือระนาบกราวด์และข้อกำหนดด้านพื้นที่ในแง่ของขนาด PCB พื้นที่ที่ถูกกำหนดโดยชิ้นส่วน RF ในการออกแบบ IoT ควรรวมระยะเคลียร์รันซ์ที่จำเป็นด้วย เนื่องจากต้องไม่มีการวางชิ้นส่วนหรือรอยทองแดงใด ๆ ในบริเวณนี้ ซึ่งหมายความว่าเมื่อผู้ออกแบบประเมินขนาดของอุปกรณ์ IoT ขนาดของ PCB และระยะเคลียร์รันซ์ควรถูกพิจารณาให้สอดคล้องกับเสาอากาศ นอกจากนี้ ควรรักษาระยะห่างที่เหมาะสมระหว่างเสาอากาศกับขอบชิลด์ด้วย
เมื่ออุปกรณ์ IoT ถูกออกแบบให้มีขนาดเท่ากับถ่านกระดุม ประสิทธิภาพของเสาอากาศย่อมได้รับผลกระทบอย่างแน่นอน เมื่อเราพยายามทำให้ขนาดของมันเล็กลง ประสิทธิภาพในการบรรลุสมรรถนะ RF ก็จะลดลงตามไปด้วย สมรรถนะของอุปกรณ์ที่มีขนาดน้อยกว่า 10 มม. ในทุกมิติจะไม่สามารถทำได้จนกว่าจะถึงความถี่ 2.4GHz ตัวอย่างเช่น การเชื่อมต่อบลูทูธในระยะมากกว่า 10 เมตรสามารถให้บริการแก่ผู้ใช้โทรศัพท์มือถือได้ ซึ่งเป็นที่ยอมรับของคนส่วนใหญ่
อย่างไรก็ตาม เมื่อขนาดในทุกทิศทางเข้าใกล้ 20 มม. ประสิทธิภาพของคลื่นความถี่วิทยุ (RF) จะเพิ่มขึ้นอย่างมาก เมื่อเข้าใกล้ 40 มม. ประสิทธิภาพสูงของเสาอากาศจำนวนมากที่ได้รับการปรับจูนกราวด์แล้วจะเพิ่มขึ้นถึงค่าสูงสุด
ดังนั้นต่อมาจึงหมายความว่าระยะการสื่อสารระหว่างอุปกรณ์สองเครื่องที่เทียบเท่ากันควรอยู่ในช่วง 60 มม. ถึง 400 มม. ตามโปรโตคอล Bluetooth 4.2 เมื่อมีการใช้โปรโตคอล 15.4 (เช่น Zigbee) ระยะการสื่อสารสูงสุดภายในระยะที่มองเห็นได้สามารถไกลถึง 500 เมตรหรือมากกว่า ดังนั้นผู้ออกแบบจึงจำเป็นต้องสร้างสมดุลระหว่างขนาด PCB กับประสิทธิภาพและประสิทธิผลของเสาอากาศตามความแตกต่างของแอปพลิเคชันและขนาดเป้าหมาย เนื่องจากเสาอากาศแบบชิปส่วนใหญ่ถือให้ระนาบกราวด์ของ PCB เป็นส่วนหนึ่งของโครงสร้างเสาอากาศ นอกจากนี้ ตำแหน่งของเสาอากาศ/โมดูลยังมีบทบาทสำคัญในขั้นตอนการออกแบบ ดังนั้นผู้ออกแบบจึงต้องพิจารณาระยะเคลียร์รันซ์เพื่อให้ได้กราวด์ของโมดูลที่เหมาะสมที่สุด
