NB-IoT天線(xiàn)的PCB設計和布局

2020-07-11

由于所有可能的無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議都可用于移動(dòng)設備，因此很難保持它們的直通性。窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）和LTE-M是兩個(gè)低帶寬協(xié)議，可在幾英里的距離內提供遠程監控功能。盡管兩種協(xié)議的數據速率都非常低，但是這些協(xié)議是輕型嵌入式系統（例如小型傳感器陣列，工業(yè)或車(chē)輛監控）的絕佳選擇。使用這些協(xié)議的設備甚至可以部署在地下或建筑物中。

NB-IoT的最新版本現已與5G網(wǎng)絡(luò )兼容，并提供了一種極具成本效益的方式來(lái)部署嵌入式IoT解決方案。如果您的目標是設計不帶COTS組件的定制集成系統，則可以直接在板上或作為外部模塊使用PCB設計工具進(jìn)行NB-IoT天線(xiàn)設計。

NB-IoT功能

LTE-M和NB-IoT是針對各種應用的兩個(gè)更新的以IoT為中心的LPWAN協(xié)議。一些示例包括家庭監視，遙感，智能制造和相關(guān)應用程序。NB-IoT是不需要大量數據速率的輕型嵌入式應用的理想選擇。NB-IoT數據速率峰值約為250 kbps，這比4G LTE中使用的速率低20倍。帶寬非常窄（因此名稱(chēng)中的術(shù)語(yǔ)為“窄帶”），并且上行鏈路/下行鏈路頻帶在單個(gè)天線(xiàn)中使用HD-FDD。

單個(gè)NB-IoT天線(xiàn)設計可以跨越多個(gè)頻帶，這會(huì )給阻抗匹配帶來(lái)一些挑戰。首先，讓我們研究一下如何將NB-IoT天線(xiàn)引入電路板，然后解決阻抗匹配問(wèn)題。

使用COTS NB-IoT天線(xiàn)模塊

有適用于新NB-IoT設備的COTS天線(xiàn)模塊。這些模塊可以作為表面安裝組件直接安裝到您的板上，這些較小的天線(xiàn)模塊價(jià)格低廉，具有幾乎各向同性的輻射分布，并且尺寸較?。ɡ?，約1平方英寸）。對于這樣的低成本設備，它們還傾向于具有合理的天線(xiàn)效率。

COTS NB-IoT天線(xiàn)需要與您的饋線(xiàn)阻抗（50歐姆）匹配。這意味著(zhù)您需要手動(dòng)設計匹配的網(wǎng)絡(luò )，以同時(shí)在單個(gè)天線(xiàn)中容納上行鏈路和下行鏈路頻段。這些天線(xiàn)通常使用包括匹配電路的評估板進(jìn)行測試，如果正確安裝和端接，它們往往具有大約-5 dB至-10 dB的回波損耗。陶瓷SMT天線(xiàn)模塊也可提供，可以在相關(guān)頻帶的不同部分提供較低的天線(xiàn)回波損耗。

體面的天線(xiàn)制造商將提供原理圖符號以及2D和3D組件模型，使您可以將這些組件帶入設計軟件中。在布局期間，您不需要任何超出標準設計規則的東西就可以將這些天線(xiàn)模塊之一放置在電路板上。雖然天線(xiàn)本身并不需要返回路徑，但天線(xiàn)模塊可能需要跨越天線(xiàn)下方的接地層，具體取決于其結構。您的饋線(xiàn)需要與驅動(dòng)器/收發(fā)器的阻抗匹配，這需要在接地平面上方正確調整饋線(xiàn)的尺寸。

NCP.5820 NB-IoT天線(xiàn)模塊的示意圖符號

定制NB-IoT天線(xiàn)設計和布局

您可以根據自己喜歡的幾何形狀有效地創(chuàng )建NB-IoT天線(xiàn)設計。無(wú)論您是使用COTS天線(xiàn)模塊，還是直接在板上設計印刷天線(xiàn)，都需要實(shí)現一些隔離技術(shù)。這一點(diǎn)非常重要，因為這些天線(xiàn)往往是高度各向同性的輻射器，從而有可能耦合到電路板的其他區域。在這些系統所涉及的低頻下，只要輻射器與您的其他電路塊之間有足夠的距離，您可能不需要在通訊線(xiàn)周?chē)吞炀€(xiàn)邊緣周?chē)ㄟ^(guò)圍欄放置。

如果這還不夠，則應使用圍欄屏蔽板中的其他重要電路塊。當您在天線(xiàn)附近聚集大量組件時(shí)，這一點(diǎn)尤其重要。防止輻射被其他電路塊吸收的另一個(gè)重要步驟是設計具有低電感的非隔離走線(xiàn)，同時(shí)保持所需的阻抗。

這些天線(xiàn)的最佳阻抗匹配選擇是寬帶LC匹配網(wǎng)絡(luò )。盡管上行鏈路和下行鏈路頻帶的帶寬很窄，但是兩個(gè)頻帶之間的距離很寬，總帶寬高達20％（請參閱上面的頻帶B4和B66）。如果僅在單個(gè)頻帶中工作，那么您將有效地為上行鏈路和下行鏈路部分設計一個(gè)雙頻帶匹配網(wǎng)絡(luò )。這涉及將電容器和電感器放置為串聯(lián)和并聯(lián)元件。如果每個(gè)頻帶中的匹配足夠廣泛，則可以在整個(gè)上行鏈路和下行鏈路頻帶的大部分范圍內使反射損耗低于-10 dB。

5820天線(xiàn)跨越3個(gè)NB-IoT頻帶的示例回波損耗頻譜

其他外部NB-IoT天線(xiàn)和模塊

將NB-IoT天線(xiàn)插入電路板的另一種選擇是使用與標準連接器連接的天線(xiàn)模塊。這可以是同軸SMA連接器或與平板匹配的其他標準連接器。如果您決定采用這種方法，請注意連接器的S參數，因為它會(huì )在頻帶內產(chǎn)生額外的反射和插入損耗。測量要使用的任何連接器的S參數是一個(gè)好主意，以檢查它在整個(gè)上行鏈路和下行鏈路頻段是否兼容。