SoC/SiP模組整合天線 穿戴式聯網裝置小型化有譜

穿戴式個人物聯網裝置持續發燒,根據實際需求,有必要將連接裝置整合至尺寸越來越小的產品中,特別是在天線整合方面,這將對設計廠商帶來莫大的挑戰,舉目所見,採用系統級封裝模組就是一個不錯的解決方案。
隨著越來越多的裝置無線連接到網際網路,電子工程師正面臨著若干挑戰,包括如何將無線電發射器組裝到現有的裝置基板上,以及如何設計製造尺寸越來越小的裝置。此外,他們還致力於滿足消費者對符合人體工學、易於使用之環保物聯網(IoT)產品的需求。  

考量物聯網裝置時,尺寸期望是最常見的問題之一,除此之外,無線電性能和價格也是比較常見的問題。理想的情況下,工程師傾向於使用尺寸盡可能小、射頻(RF)性能出眾,並且經濟實惠的物聯網元件。  

但物聯網元件產品與服務通常無法彙集上述特性,因此對解決方案供應商構成挑戰。幸運的是,隨著業界採用全新矽製程,使得近幾年來矽晶片的尺寸變得越來越小。業界已透過將微控制器(MCU)和射頻前端與系統單晶片(SoC)配置合併在一起(即提供無線微控制器)解決了建置物聯網時遇到的空間問題。  

然而,朝向系統單晶片發展的趨勢並未解決射頻發射器(天線)的物理結構問題。通常會將天線設計留給客戶挑選,或者指導他們選擇隨時可用、內建天線的無線模組。天線所需的空間是在設計小型物聯網裝置過程中遇到的另一項挑戰。在講求空間設計高效率的同時,還要能夠實現可靠的無線連接。因此,這裡將側重於討論圍繞天線整合的具體問題。  

使用系統單晶片 有利縮小產品尺寸  

當二十一世紀掀起第一股物聯網熱潮時,該產業被稱為機器對機器(M2M)工業,為實現物聯網互聯提供的元件主要為整體封包無線電服務(GPRS)數據機、藍牙(Bluetooth)串列電纜更換,或Sub-G專有無線電。這些設計採用了用於實現連接的兩個主要元件:微控制器和無線電數據機。實現基本物聯網功能所需的空間通常可達到最小(在每個維度上均為50毫米),這意味著這些裝置大約只有手機般大。  

當矽產業逐步朝向可將所需的微控制器和射頻功能整合到同一個晶片空間的製程遷移時,針對開發人員的全新發展機遇開始不斷湧現。現在,他們可以在同一個積體電路(IC)/系統單晶片內建置物聯網裝置的功能。由於無線微控制器存在明顯的優勢,物聯網元件體系結構已向無線微控制器進行轉移,工程師不僅可以使用單一元件設計物聯網裝置並節省大量的空間,由於元件成本較低,還可以節省資金。在選擇現代物聯網裝置的體系結構時,由於具有尺寸上的優勢,基於系統單晶片的系統顯然將更受青睞。  

部署天線防失諧 預留空間學問大  

高度整合系統單晶片新時代的來臨,也為開發人員帶來一些問題,包括:如何部署天線?應該保留多大的空間來安裝天線?應該選擇哪種天線,或者是否應該使用已經整合天線的模組?天線問題在許多層面都具有複雜性,因為不僅須要考慮尺寸和效率,還要考慮失諧問題,特別是在那些可能採用不同的外殼,但卻使用同一天線體系結構的設計中。  

由於物料清單(BOM)成本較低,在物聯網設計中使用印刷電路板(PCB)走線天線(例如倒F型天線)現在已經很常見。但這些印刷電路板天線具有顯著的尺寸要求,尺寸通常在25毫米(mm)×15毫米範圍內,最終造成物聯網裝置成品的體積較為龐大(圖1)。  

圖1 物聯網裝置對印刷電路板天線具有顯著的尺寸要求,尺寸通常在25毫米×15毫米範圍內,最終造成物聯網裝置成品的體積較為龐大。

這些天線應用於模組中時還有另一個缺點:它們對外殼材料造成的失諧非常敏感,並且在最終產品裝配時須要進行具體考量,以便達到最佳工作狀態。在系統單晶片的設計中,天線調諧是常規設計流程的一部分,並且需要一定程度的專門知識。在這些設計中,印刷天線與其他天線類型沒有區別。 天線製造商長期以來一直提供「晶片天線」來簡化設計工作,而且這類天線也具有尺寸方面的優勢。這些晶片天線主要以未耦合至GND平面的天線和耦合至GND平面的天線兩種不同的形式提供:  

・未耦合至GND平面的天線  

此類天線需要相對較大(或者沒有接地、走線和元件)的淨空範圍。這類天線的示例包括單極天線和倒F型天線。  

・耦合至GND平面的天線  

此類天線需要在其下方提供相對較小的淨空範圍,或者根本不需要淨空範圍。 這兩類天線都有淨空範圍、接地平面以及印刷電路板尺寸方面的空間要求。物聯網設計的射頻元件所需的空間還應包括需要的淨空範圍,因為不能在此處置留任何元件或走線。這意味著,當設計者在評估物聯網裝置的尺寸時,須注意適用於天線的必要印刷電路板尺寸以及所需的淨空範圍,而且還需要天線與外殼邊緣留有一定的間距(圖2)。

圖2 印刷電路板天線具有顯著的尺寸要求例如淨空範圍
 

在將物聯網裝置設計成紐扣電池大小時,始終會有損天線效率。當試著讓尺寸變得越小時,實現射頻性能的效率便會越低。在每個維度上均不足10毫米的裝置於2.4GHz頻段開始實現其性能,可透過手機為用戶提供大約10米(m)的藍牙連接,此為大多數個人物聯網裝置所接受。  

然而,當每個方向上的尺寸都接近於20毫米時,射頻的效率會顯著提升,可視具體條件透過手機提供20∼40米的實際距離。當尺寸達到40毫米時,與接地平面實現調諧的若干天線的最佳效率將達到最佳性能。  

這就意味著根據藍牙4.2協定,兩個相同裝置之間的實際距離應該在60∼400米左右。使用15.4協定(例如ZigBee)時,在瞄準線內的距離最遠可達到500米以上。 

因此,根據應用和尺寸目標的不同,設計者須要注意相對於印刷電路板尺寸的天線性能和效率,因為大多數晶片天線均將印刷電路板接地平面用作天線配置的一部分。此外,設計中的天線/模組位置也很重要,設計者必須考慮淨空範圍和接地平面,以最佳化此設計中的模組位置(圖3)。

圖3 無線淨空範圍、接地平面縫合,以及印刷電路板邊緣的模組位置都會影響射頻性能。
 

評估成本外觀效能 考慮部署外部天線  

根據對處於設計階段之Bluegiga模組的統計,針對若干不同的天線封裝選項,將近50%的客戶對外部天線(透過U.Fl連接器整合到外殼的天線)的性能和可行性進行評估。然而,在對設計進行評估的客戶中只有大約10%決定部署外部天線,而90%的人選擇了配備內建晶片天線的模組。這背後的原因是什麼?工程師為何不在其設計中廣泛部署外部天線?可以從兩個主要層面來回答這個問題。  

首先,外部天線的結構在設計中不具有設計友善性;它們比較不美觀,而且如果物聯網裝置掉落則很容易折斷。這些天線還顯著增加物料清單和裝配成本。另外,在比較使用晶片天線和外部天線(藉助U.Fl天線連接器)的堅固射頻設計的效率時,可以發現使用外部天線並不具有優勢。而當裝置採用金屬外殼時會形成一個法拉第罩,使得射頻訊號無法穿透裝置,在此情況下外部天線的優勢就會很明顯。另外,如果須要實現絕對最佳性能,並且裝配成本和機械設計允許使用外部天線的話,外部天線的優勢也會相當明顯。  

估量結構/外殼設計 天線失諧納入考量  

在設計配備天線的物聯網裝置時,結構和外殼在避免或導致天線失諧方面發揮了重要作用。材料的接近度會影響天線產生的射頻輻射。如果接觸到金屬或塑膠,天線就會失諧。因此,須避免天線與外殼塑膠或金屬進行物理接觸。天線的種類以及對失諧的靈敏度截然不同。單極型天線比耦合至GND的天線更靈敏。  

一些創新的系統級封裝(SiP)模組解決了失諧問題,因為天線已經位於基板內,並且在靠近塑膠外殼處失諧。這使得設計者能夠自由地將SiP模組部署到其設計中,從而顯著縮小裝置的尺寸。  

兼具SoC模組優勢 系統級封裝看俏  

芯科實驗室(Silicon Labs)透過研發一種兼具系統單晶片模組的優勢和極小尺寸的SiP模組,將IoT SoC方面的經驗與Bluegiga天線設計方面的經驗加以融合。略超過50平方毫米總設計面積(包括天線的淨空範圍)意味著可為設計中的其他元件騰出空間,最終能夠設計出真正精巧的物聯網裝置。  

BGM12x SiP模組旨在實現適用於藍牙低功耗技術的最小設計尺寸。6.5毫米×6.5毫米的尺寸可實現全面建置,並且包含基於安謀國際(ARM) Cortex-M4F核心的微控制器、大量的快閃記憶體和隨機存取記憶體(RAM)、整合天線,以及5.0毫米×3.0毫米的超小淨空範圍,適用於高性能應用。  

SiP模組在實作中還整合了所需的所有被動元件,如果遵守布局指南,設計者將無須擔憂所有射頻相關設計。SiP模組非常適用於穿戴式裝置、家庭自動化系統,以及需要終端裝置採用簡潔小巧設計的應用,例如運動健身手環和穿戴式裝置。  

優化SiP模組尺寸 完善IoT裝置設計  

為達到SiP尺寸優化的最佳實踐,此處所提供的相關建議則包括:使用基於系統單晶片(具有便於更新協定和進行維護的基於快閃記憶體的架構)的SiP、使用具有較小印刷電路板淨空範圍的高度整合小型SiP模組,以及使用配備不會在靠近外殼處失諧的天線的高度整合SiP模組,最後則是嚴格遵守指定布局指南,注意淨空範圍大小、SiP模組定位,以及與印刷電路板邊緣的間距的準確性。  

(本文作者任職於芯科科技)  

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