NB-IoT天線(xiàn)的PCB设计和布局

2020-07-11

由于所有(yǒu)可(kě)能(néng)的无線(xiàn)通信协议都可(kě)用(yòng)于移动设备，因此很(hěn)难保持它们的直通性。窄带物(wù)联网（NB-IoT）和LTE-M是两个低带宽协议，可(kě)在几英里的距离内提供遠(yuǎn)程监控功能(néng)。尽管两种协议的数据速率都非常低，但是这些协议是轻型嵌入式系统（例如小(xiǎo)型传感器阵列，工业或車(chē)辆监控）的绝佳选择。使用(yòng)这些协议的设备甚至可(kě)以部署在地下或建筑物(wù)中。

NB-IoT的最新(xīn)版本现已与5G网络兼容，并提供了一种极具成本效益的方式来部署嵌入式IoT解决方案。如果您的目标是设计不带COTS组件的定制集成系统，则可(kě)以直接在板上或作為(wèi)外部模块使用(yòng)PCB设计工具进行NB-IoT天線(xiàn)设计。

NB-IoT功能(néng)

LTE-M和NB-IoT是针对各种应用(yòng)的两个更新(xīn)的以IoT為(wèi)中心的LPWAN协议。一些示例包括家庭监视，遥感，智能(néng)制造和相关应用(yòng)程序。NB-IoT是不需要大量数据速率的轻型嵌入式应用(yòng)的理(lǐ)想选择。NB-IoT数据速率峰值约為(wèi)250 kbps，这比4G LTE中使用(yòng)的速率低20倍。带宽非常窄（因此名称中的术语為(wèi)“窄带”），并且上行链路/下行链路频带在单个天線(xiàn)中使用(yòng)HD-FDD。

单个NB-IoT天線(xiàn)设计可(kě)以跨越多(duō)个频带，这会给阻抗匹配带来一些挑战。首先，让我们研究一下如何将NB-IoT天線(xiàn)引入電(diàn)路板，然后解决阻抗匹配问题。

使用(yòng)COTS NB-IoT天線(xiàn)模块

有(yǒu)适用(yòng)于新(xīn)NB-IoT设备的COTS天線(xiàn)模块。这些模块可(kě)以作為(wèi)表面安装组件直接安装到您的板上，这些较小(xiǎo)的天線(xiàn)模块价格低廉，具有(yǒu)几乎各向同性的辐射分(fēn)布，并且尺寸较小(xiǎo)（例如，约1平方英寸）。对于这样的低成本设备，它们还倾向于具有(yǒu)合理(lǐ)的天線(xiàn)效率。

COTS NB-IoT天線(xiàn)需要与您的馈線(xiàn)阻抗（50欧姆）匹配。这意味着您需要手动设计匹配的网络，以同时在单个天線(xiàn)中容纳上行链路和下行链路频段。这些天線(xiàn)通常使用(yòng)包括匹配電(diàn)路的评估板进行测试，如果正确安装和端接，它们往往具有(yǒu)大约-5 dB至-10 dB的回波损耗。陶瓷SMT天線(xiàn)模块也可(kě)提供，可(kě)以在相关频带的不同部分(fēn)提供较低的天線(xiàn)回波损耗。

體(tǐ)面的天線(xiàn)制造商(shāng)将提供原理(lǐ)图符号以及2D和3D组件模型，使您可(kě)以将这些组件带入设计软件中。在布局期间，您不需要任何超出标准设计规则的东西就可(kě)以将这些天線(xiàn)模块之一放置在電(diàn)路板上。虽然天線(xiàn)本身并不需要返回路径，但天線(xiàn)模块可(kě)能(néng)需要跨越天線(xiàn)下方的接地层，具體(tǐ)取决于其结构。您的馈線(xiàn)需要与驱动器/收发器的阻抗匹配，这需要在接地平面上方正确调整馈線(xiàn)的尺寸。

NCP.5820 NB-IoT天線(xiàn)模块的示意图符号

定制NB-IoT天線(xiàn)设计和布局

您可(kě)以根据自己喜欢的几何形状有(yǒu)效地创建NB-IoT天線(xiàn)设计。无论您是使用(yòng)COTS天線(xiàn)模块，还是直接在板上设计印刷天線(xiàn)，都需要实现一些隔离技术。这一点非常重要，因為(wèi)这些天線(xiàn)往往是高度各向同性的辐射器，从而有(yǒu)可(kě)能(néng)耦合到電(diàn)路板的其他(tā)區(qū)域。在这些系统所涉及的低频下，只要辐射器与您的其他(tā)電(diàn)路块之间有(yǒu)足够的距离，您可(kě)能(néng)不需要在通讯線(xiàn)周围和天線(xiàn)边缘周围通过围栏放置。

如果这还不够，则应使用(yòng)围栏屏蔽板中的其他(tā)重要電(diàn)路块。当您在天線(xiàn)附近聚集大量组件时，这一点尤其重要。防止辐射被其他(tā)電(diàn)路块吸收的另一个重要步骤是设计具有(yǒu)低電(diàn)感的非隔离走線(xiàn)，同时保持所需的阻抗。

这些天線(xiàn)的最佳阻抗匹配选择是宽带LC匹配网络。尽管上行链路和下行链路频带的带宽很(hěn)窄，但是两个频带之间的距离很(hěn)宽，总带宽高达20％（请参阅上面的频带B4和B66）。如果仅在单个频带中工作，那么您将有(yǒu)效地為(wèi)上行链路和下行链路部分(fēn)设计一个双频带匹配网络。这涉及将電(diàn)容器和電(diàn)感器放置為(wèi)串联和并联元件。如果每个频带中的匹配足够广泛，则可(kě)以在整个上行链路和下行链路频带的大部分(fēn)范围内使反射损耗低于-10 dB。

5820天線(xiàn)跨越3个NB-IoT频带的示例回波损耗频谱

其他(tā)外部NB-IoT天線(xiàn)和模块

将NB-IoT天線(xiàn)插入電(diàn)路板的另一种选择是使用(yòng)与标准连接器连接的天線(xiàn)模块。这可(kě)以是同轴SMA连接器或与平板匹配的其他(tā)标准连接器。如果您决定采用(yòng)这种方法，请注意连接器的S参数，因為(wèi)它会在频带内产生额外的反射和插入损耗。测量要使用(yòng)的任何连接器的S参数是一个好主意，以检查它在整个上行链路和下行链路频段是否兼容。