Page 43 - 材料分析層層把關先進製程設備零缺陷

將天線嵌入蜂巢式物聯網設計中
天線的作用是產生電壓和電 流，藉此產生需要發送的電磁(無 線電)波;同樣地，產品接收到的 射頻(RF)電波也是利用天線來產 生電壓和電流，並由接收器加以 擷取。藉由提升天線的效率，可以 將最多的發送器功率轉換成發送 出去的RF能量，接收方的天線也 要盡可能地接收到訊號，並且將最 多的能量傳送給接收器。這樣的過 程，就是決定蜂巢式裝置涵蓋範圍 及其傳輸速率的關鍵。
天線的裝配位置
接著，另一個重要考量是要將 晶片天線放在PCB的哪一個位置。 最好的設計建議是將天線放置在 裝置的角落。同樣重要的是讓晶 片天線盡量遠離作業期間會發射 能量的其他主動式元件。對於具 有一般發送功率的蜂巢式物聯網 裝置而言，與其他元件只要有最小 20mm的淨空距離就足夠了。接地 層不能被放置在此需要被淨空的 區域內。在這個淨空區域內唯一會
更具挑戰之處在於蜂巢式 物聯網產品使用多個頻率的RF 訊號。以Nordic Thingy:91蜂 巢式物聯網原型平台為例:該 裝置具備nRF9160 SiP，並結 合運作於700-2200MHz之間多 頻段的LTE-M/NB-IoT、1227與 1575MHzGPS，以及nRF52840 SoC (作業於2.4GHz的低功耗藍 牙)。蜂巢式物聯網解決方案中同 時包含Wi-Fi (2.4及5GHz)也很常 見。若依照傳統的設計，這代表需 要將多種不同的大型天線(及其電 路)結合到同一產品中。
例如Nordic的設計合作夥 伴——晶片天線製造商Ignion具 備專業知識，得以讓短距離RF以 及蜂巢式物聯網應用所使用的天 線發揮最大效能。該公司並提供單 頻段、雙頻段以及多頻段系統所使 用的各種替代解決方案。也由於對 終端產品預期使用的操作頻段有 深入的了解，因而能較輕易地從整 個產品線中鎖定合適型號，以及挑 選出適合的晶片天線。
DESIGN IDEAS
作者:Nordic Semiconductor 供稿
無論導入多少創新於蜂巢式物聯網 (cellular IoT)裝置的硬體及軟體設 計中，如果天線無法順利地運作， 那麼整個產品就形同虛設。
案。Thingy:91以單一天線用於平台 上的LTE-M/NB-IoT以及GPS RF， 而其尺寸只有30×3×1mm。(另一 支天線用於Thingy:91上的 2.4GHz RF)然而，即使有了這些智慧型晶片 天線，靈敏度方面還是有所妥協。 因此設計人員必須遵照一些重要 的設計指引，以便讓天線具備最高 效率以及最大的整體頻率響應。
讓最新推出的晶片天線發揮 其效能的秘訣，就在於天線本身只 是天線系統中的一部份。一整套天 線系統中其實包含了晶片天線、電 路板(PCB)接地層，以及天線匹配 電路。系統中每一個零件的設計都 直接影響到其整體效率。
10cm2 的接地層可能發揮30%效 率，而40cm2 的接地層則可將效 率提升到60%。在終端產品的整 體尺寸外形限制下，最好的設計方 式就是盡量使用最大面積的PCB， 然後讓出一塊區域專門給接地層 使用。(隨著頻率越來越高，接地 層的尺寸對於天線效率的影響會 越來越小。)
所幸近期推出的晶片天線元 件具有輕巧的設計，而且可以處 理不同RF所使用的多種頻率， 因而能提供非常優異的解決方
一旦選定了晶片天線之後，下 一步就是考慮接地層。接地層的 尺寸對於天線的效率具有較大影 響。舉例而言，在900MHz的操作 頻率下以同型的產品應用來比較，
Nordic Thingy:91蜂巢式物聯網原型平台。
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