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技術(shù)專題
NB-IoT天線的PCB設(shè)計(jì)和布局
由于所有可能的無線通信協(xié)議都可用于移動(dòng)設(shè)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(nèi)提供遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。盡管兩種協(xié)議的數(shù)據(jù)速率都非常低，但是這些協(xié)議是輕型嵌入式系統(tǒng)（例如小型傳感器陣列，工業(yè)或車輛監(jiān)控）的絕佳選擇。使用這些協(xié)議的設(shè)備甚至可以部署在地下或建筑物中。
NB-IoT的最新版本現(xiàn)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部署嵌入式IoT解決方案。如果您的目標(biāo)是設(shè)計(jì)不帶COTS組件的定制集成系統(tǒng)，則可以直接在板上或作為外部模塊使用PCB設(shè)計(jì)工具進(jìn)行NB-IoT天線設(shè)計(jì)。
NB-IoT功能
LTE-M和NB-IoT是針對(duì)各種應(yīng)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(jiān)視，遙感，智能制造和相關(guān)應(yīng)用程序。NB-IoT是不需要大量數(shù)據(jù)速率的輕型嵌入式應(yīng)用的理想選擇。NB-IoT數(shù)據(jù)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)天線中使用HD-FDD。
單個(gè)NB-IoT天線設(shè)計(jì)可以跨越多個(gè)頻帶，這會(huì)給阻抗匹配帶來一些挑戰(zhàn)。首先，讓我們研究一下如何將NB-IoT天線引入電路板，然后解決阻抗匹配問題。
使用COTS NB-IoT天線模塊
有適用于新NB-IoT設(shè)備的COTS天線模塊。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，并且尺寸較小（例如，約1平方英寸）。對(duì)于這樣的低成本設(shè)備，它們還傾向于具有合理的天線效率。
COTS NB-IoT天線需要與您的饋線阻抗（50歐姆）匹配。這意味著您需要手動(dòng)設(shè)計(jì)匹配的網(wǎng)絡(luò)，以同時(shí)在單個(gè)天線中容納上行鏈路和下行鏈路頻段。這些天線通常使用包括匹配電路的評(píng)估板進(jìn)行測(cè)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回波損耗。
體面的天線制造商將提供原理圖符號(hào)以及2D和3D組件模型，使您可以將這些組件帶入設(shè)計(jì)軟件中。在布局期間，您不需要任何超出標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)規(guī)則的東西就可以將這些天線模塊之一放置在電路板上。雖然天線本身并不需要返回路徑，但天線模塊可能需要跨越天線下方的接地層，具體取決于其結(jié)構(gòu)。您的饋線需要與驅(qū)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(diào)整饋線的尺寸。
NCP.5820 NB-IoT天線模塊的示意圖符號(hào)
定制NB-IoT天線設(shè)計(jì)和布局
您可以根據(jù)自己喜歡的幾何形狀有效地創(chuàng)建NB-IoT天線設(shè)計(jì)。無論您是使用COTS天線模塊，還是直接在板上設(shè)計(jì)印刷天線，都需要實(shí)現(xiàn)一些隔離技術(shù)。這一點(diǎn)非常重要，因?yàn)檫@些天線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(qū)域。在這些系統(tǒng)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周圍和天線邊緣周圍通過圍欄放置。
如果這還不夠，則應(yīng)使用圍欄屏蔽板中的其他重要電路塊。當(dāng)您在天線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(shè)計(jì)具有低電感的非隔離走線，同時(shí)保持所需的阻抗。
這些天線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(dá)20％（請(qǐng)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(shè)計(jì)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(nèi)使反射損耗低于-10 dB。
5820天線跨越3個(gè)NB-IoT頻帶的示例回波損耗頻譜
其他外部NB-IoT天線和模塊
將NB-IoT天線插入電路板的另一種選擇是使用與標(biāo)準(zhǔn)連接器連接的天線模塊。這可以是同軸SMA連接器或與平板匹配的其他標(biāo)準(zhǔn)連接器。如果您決定采用這種方法，請(qǐng)注意連接器的S參數(shù)，因?yàn)樗鼤?huì)在頻帶內(nèi)產(chǎn)生額外的反射和插入損耗。測(cè)量要使用的任何連接器的S參數(shù)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。