Die Herausforderung der Integration einer Antenne in kleine IoT-Geräte

Das Internet der Dinge (IoT) ist ein paradigmenwechselnder technologischer Trend, bei dem Alltagsgegenstände, vom Kühlschrank bis zur Uhr, in intelligente Geräte mit Internetverbindung verwandelt werden. Diese Objekte können Daten untereinander austauschen und so viele Aspekte des täglichen Lebens automatisieren und verbessern.

Antennen spielen bei diesen Geräten eine zentrale Rolle. Eine Antenne ist ein Gerät, das elektromagnetische Strahlung in elektrischen Strom umwandelt oder umgekehrt. Diese Funktion ist von entscheidender Bedeutung, damit IoT-Geräte drahtlos miteinander kommunizieren und Daten austauschen können und so die Vernetzung ermöglichen, die das Internet der Dinge ausmacht.

Angesichts der vielen Einschränkungen und Überlegungen stellt die Integration von Antennen in diese kleinen IoT-Geräte (Abbildung 1) jedoch eine erhebliche Herausforderung dar.

In der IoT-Welt ist klein das neue große: Verbraucher wünschen sich kompakte, unauffällige Geräte, und die Hersteller sind bestrebt, dem nachzukommen. Diese Größenbeschränkungen stellen eine erhebliche Hürde für die Antennenintegration dar.

Antennen basieren auf der Resonanz einer bestimmten Frequenz und ihre Größe ist typischerweise proportional zur Wellenlänge der Frequenz, auf der sie arbeiten sollen. Beispielsweise müsste eine Dipolantenne, die im 2,4-GHz-Frequenzband arbeitet, idealerweise etwa 6,25 cm lang sein – eine Größe, die für kompakte IoT-Geräte oft nicht realisierbar ist.

Der Platz in einem kleinen IoT-Gerät ist überfüllt, was eine komplexe Aufgabe für die Antennenintegration darstellt. Die Antenne muss in unmittelbarer Nähe zu anderen Komponenten wie Prozessoren, Batterien und Sensoren funktionieren. Diese Komponenten können den Betrieb der Antenne beeinträchtigen und so deren Leistung und letztendlich die Funktionalität des Geräts beeinträchtigen.

Beispielsweise kann das Metallgehäuse einer Batterie, oft die größte Komponente in einem kompakten IoT-Gerät, den Betrieb einer Antenne auf zwei Arten stören: Es kann entweder die Antenne verstimmen und ihre Betriebsfrequenz ändern, oder es kann aufgrund seiner Größe die Antenne abschirmen Antenne, wodurch das effektive Strahlungsmuster verringert und die Konnektivität des Geräts geschwächt wird.

Ebenso erzeugen Prozessoren, insbesondere solche, die mit hohen Frequenzen arbeiten, erhebliches elektromagnetisches Rauschen. Wenn sich eine Antenne in unmittelbarer Nähe befindet, kann sie dieses Rauschen auffangen, was den Empfang und die Übertragung von Signalen beeinträchtigt.

Der Trend zu kleineren, kompakteren IoT-Geräten ist gut für die Portabilität und das Design, hat aber auch Nachteile, wenn es um die Leistung der Antennen geht. Da diese Geräte kleiner werden, müssen auch die Antennen in ihnen kleiner werden. Diese Größenreduzierung kann sich negativ auf viele wichtige Funktionen einer Antenne auswirken.

Zu den nachteiligen Auswirkungen der Miniaturisierung auf die Antennenleistung gehören:

Für diese Herausforderungen gibt es mehrere mögliche Lösungen:

SoCs integrieren eine Mikrocontrollereinheit (MCU) und ein HF-Frontend in einem Siliziumchip. Durch die Kombination dieser beiden Funktionen nutzen SoCs den begrenzten Platz im Inneren eines IoT-Geräts optimal aus. Dieser Platzeffizienzvorteil ist ein Hauptgrund dafür, dass IoT-Geräte zunehmend auf Basis drahtloser MCUs entwickelt werden.

Trotz dieser Vorteile können SoCs nicht jedes Problem lösen: Die physische Größe der Antenne ist immer noch durch die Wellenlänge der Frequenz begrenzt, auf der sie arbeitet, und die Verstimmung – eine Verschiebung der Betriebsfrequenz der Antenne, die durch nahegelegene Komponenten verursacht wird – bleibt ein erhebliches Problem .

Eine weitere mögliche Lösung besteht darin, SoCs entweder mit PCB-Trace-Antennen oder Chip-Antennen zu koppeln.

Eine PCB-Trace-Antenne ist eine Antenne, deren Leiter in die Oberfläche der PCB geätzt ist (Abbildung 2). Sie sind kostengünstig, nehmen aber viel Platz in Anspruch und sorgen so für sperrige IoT-Geräte. Chipantennen hingegen sind kleinere, oberflächenmontierte Komponenten, die Platz sparen können. Abhängig davon, ob sie mit der Grundplatte verbunden sind oder nicht, benötigen sie jedoch möglicherweise einen erheblichen Freiraum.

Beim Einsatz dieser Antennentypen müssen Entwickler verschiedene Faktoren berücksichtigen, um die Größe des IoT-Geräts abzuschätzen. Dazu gehören die für die Antenne benötigten Leiterplattenabmessungen, die notwendigen Freiräume und der Abstand zwischen der Antenne und dem Rand des Gerätegehäuses.

Dieser Ansatz bringt jedoch seine eigenen Herausforderungen mit sich. Dies führt häufig zu höheren Entwicklungskosten, da spezielle HF-Designfähigkeiten und Ausrüstung für Design, Tests und Abstimmung erforderlich sind. Darüber hinaus sind Zertifizierungskosten zu berücksichtigen.

Daher könnte die Kombination von SoCs mit diesen Antennen zwar einige Platzprobleme lösen, erfordert jedoch eine sorgfältige Planung und könnte aufgrund von Design-, Test- und Zertifizierungsanforderungen auch die Zeit bis zur Markteinführung verlängern.

Das SiP ist ein Modultyp, der mehrere Komponenten, darunter eine Mikrocontroller-Einheit (MCU), ein Hochfrequenz-Frontend (RF) und eine Antenne, in einem einzigen Paket integriert. Das SiP-Modul bietet die Kompaktheit eines SoC, beinhaltet aber auch alle wichtigen passiven Komponenten und beseitigt so den HF-Design-Kopfschmerz für Ingenieure.

Neben ihrer kompakten Bauweise lösen SiP-Module auf einzigartige Weise das berüchtigte Verstimmungsproblem bei der Antennenintegration. Die Antennenanordnung innerhalb dieser Module ist so konzipiert, dass sie auch in unmittelbarer Nähe zum Kunststoffgehäuse eine optimale Leistung erbringt. Diese Designflexibilität ermöglicht es Ingenieuren, das SiP-Modul an einer beliebigen Stelle auf ihrem Gerät zu platzieren, was dazu beiträgt, die Gesamtgröße des Geräts zu reduzieren.

Der Prozess der Integration von Antennen in kleine IoT-Geräte stellt erhebliche Herausforderungen dar. Diese Schwierigkeiten sind in erster Linie auf die Beschränkungen der Gerätegröße und die negativen Auswirkungen zurückzuführen, die die Miniaturisierung auf die Leistung von Antennen haben kann.

Es wurden mehrere Lösungen entwickelt, die diese Herausforderungen bis zu einem gewissen Grad bewältigen.

Die Kombination von SoCs mit PCB-Leiterbahn- oder Chip-Antennen löst beispielsweise das Problem der Platzbeschränkung. Dieser Ansatz könnte jedoch die Markteinführungszeit des Produkts verlängern, da für Design-, Test- und Zertifizierungsprozesse mehr Zeit erforderlich ist.

SiPs bieten eine umfassendere und benutzerfreundlichere Lösung für die Antennenintegration. Diese vorgefertigten Einheiten verfügen über eine integrierte Antenne, sodass kein komplexes HF-Design erforderlich ist. Darüber hinaus lösen sie effektiv das Problem der Antennenverstimmung, das häufig mit kompakten IoT-Geräten verbunden ist.