Pertimbangan Desain Antena dalam Desain IoT

Karena semakin banyak perangkat yang terhubung ke Internet dengan cara nirkabel, insinyur elektronik dihadapkan dengan banyak tantangan seperti bagaimana membuat pemancar radio dirakit untuk menghadirkan ruang peralatan dan bagaimana merancang dan memproduksi perangkat dengan ukuran yang semakin kecil. Selain itu, mereka berusaha untuk memenuhi permintaan pelanggan akan produk IoT (Internet of Things) yang kompatibel dengan ergonomi, aksesibilitas yang dapat diterapkan, dan keselarasan dengan lingkungan.

Ketika produk IoT dipertimbangkan, ekspektasi ukuran adalah salah satu pertimbangan terpenting, selain properti radio dan harga juga umumnya dipertimbangkan. Idealnya, para insinyur lebih menyukai komponen IoT dengan ukuran kecil, kinerja RF (frekuensi radio) yang sangat baik, dan harga yang murah. Namun, komponen IoT biasanya gagal memuat semua keunggulan yang disebutkan di atas, sehingga penyedia solusi harus menghadapi tantangan.

Untungnya, karena industri elektronik selalu bergantung pada teknologi proses silikon yang benar-benar baru, beberapa tahun terakhir telah menyaksikan ukuran chip silikon yang semakin kecil. Dengan mengintegrasikan MCU (microprogrammed control unit) dan RF front end ke dalam struktur SoC (system on chip), masalah ruang telah berhasil dipecahkan untuk implementasi IoT. Namun, tren perkembangan ke arah SoC belum menyelesaikan masalah mengenai struktur fisik pemancar RF, yaitu antena. Kami biasanya menyerahkan desain antena kepada pelanggan atau menyarankan mereka untuk mengambil modul antena yang mudah digunakan dengan antena terintegrasi. Ruang untuk antena adalah tantangan lain yang harus kami hadapi saat kami merancang perangkat IoT kecil. Desain ruang menuntut efisiensi tinggi dan kemampuan koneksi nirkabel yang andal.

Mengapa SoC?

Sebagai tanggal 21 abad melihat awal berkembangnya IoT, industri ini dianggap sebagai M2M (mesin ke mesin). Komponen yang berkontribusi terhadap interkoneksi IoT terutama mencakup modem GPRS, kabel serial Bluetooth, atau radio Sub-G. Semua desain memanfaatkan dua komponen terdepan untuk pencapaian koneksi:MCU dan modem nirkabel. Ruang minimum yang cukup untuk implementasi fungsi IoT mendasar terletak pada 50mm di semua dimensi, yang berarti bahwa ukuran semua perangkat hanya sebesar ponsel.

Karena industri silikon secara konsisten bergerak menuju teknologi yang mengintegrasikan fungsi MCU dan RF ke dalam ruang satu chip, pengembang mulai merangkul lebih banyak peluang. Sekarang, mereka dapat membuat semua fungsi perangkat IoT tercapai dalam IC/SoC yang sama. Karena MCU nirkabel memiliki keunggulan yang jelas, sistem komponen IoT mulai beralih ke MCU nirkabel. Akibatnya, para insinyur dapat merancang perangkat IoT hanya dengan satu jenis komponen dan menghemat ruang. Selain itu, mereka dapat mengurangi biaya karena biaya komponen yang rendah. Karena struktur perangkat IoT modern siap untuk dipilih, sistem berbasis SoC akan lebih populer karena keunggulan ukurannya.

Namun demikian, tren pengembangan ke arah SoC gagal menyelesaikan masalah struktur fisik, yaitu antena.

Bagaimana Cara Mengatur Antena dan Berapa Banyak Ruang Yang Dibutuhkan?

Harus diakui bahwa antena harus menghadapi kompleksitas pada beberapa dimensi karena ukuran dan efisiensi harus dipertimbangkan. Karena biaya BOM (bill of material) relatif rendah, antena biasanya dirancang melalui tracing PCB untuk desain IoT. Namun, antena PCB membutuhkan persyaratan ukuran yang luar biasa yang biasanya berada dalam kisaran 25mm×15mm, sehingga volume produk IoT menjadi besar. Antena juga memiliki kelemahan lain ketika diterapkan dalam modul, yaitu sangat sensitif terhadap detuning akibat bahan pelindung dan perlu dipertimbangkan secara khusus dalam proses perakitan produk akhir untuk mencapai kondisi kerja yang optimal. Dalam desain SoC, sebagai bagian dari desain biasa, penyetelan antena diperoleh tergantung pada beberapa pengetahuan khusus. Secara desain, tidak ada perbedaan antara antena PCB dan antena lainnya.

Produsen antena telah lama menyediakan "antena chip" untuk menyederhanakan pekerjaan desain. Selain itu, antena jenis ini memiliki keunggulan dalam hal ukuran. Kategori antena ini terutama disediakan melalui cara-cara berikut:
a. Antena dilepas dengan GND. Antena jenis ini membutuhkan jarak bebas dengan ukuran yang relatif besar. Contoh umum dari jenis antena ini termasuk antena unipole dan antena flip-F.
b. Antena digabungkan dengan GND. Antena jenis ini hanya perlu menyediakan jarak bebas yang relatif kecil atau tidak memerlukan antena sama sekali.

Kedua jenis antena ini memiliki jangkauan jarak bebas atau bidang pentanahan dan kebutuhan ruang dalam hal ukuran PCB. Ruang yang disebut oleh komponen RF dalam desain IoT juga harus mencakup rentang jarak bebas yang diperlukan karena komponen atau jejak apa pun tidak boleh ditinggalkan di sini, yang berarti bahwa ketika desainer memperkirakan ukuran peralatan IoT, ukuran PCB dan rentang jarak harus diperhatikan kompatibel dengan antena. Selain itu, ruang tertentu harus dijaga antara antena dan tepi pelindung.

Ketika perangkat IoT dirancang seukuran sel tombol, efisiensi antena pasti rusak. Ketika kami mencoba untuk membuat ukurannya lebih kecil, efisiensi untuk mencapai kinerja RF akan berkurang setelahnya. Kinerja perangkat dengan kurang dari 10mm di semua dimensi tidak akan tercapai sampai pada frekuensi 2.4GHz. Misalnya, koneksi Bluetooth lebih dari 10 meter dapat diberikan kepada pengguna ponsel, yang diterima oleh mayoritas.

Namun, ketika ukuran ke segala arah mendekati 20mm, efisiensi RF akan meningkat secara dramatis. Saat mendekati 40mm, efisiensi tinggi dari banyak antena dengan penyetelan grounding yang dicapai akan naik ke level tertinggi.

Itu berarti bahwa jarak komunikasi antara dua perangkat yang setara harus dalam kisaran dari 60mm hingga 400mm sesuai dengan protokol Bluetooth 4.2. Setelah protokol 15.4 (zigbee misalnya) diterapkan, jarak komunikasi terpanjang dalam jangkauan visual dapat mencapai 500 meter atau lebih. Dengan demikian, perancang perlu menyeimbangkan ukuran PCB dan kinerja serta efisiensi antena berdasarkan perbedaan aplikasi dan ukuran yang ditargetkan karena sebagian besar antena chip menganggap bidang pentanahan PCB sebagai satu bagian dari konfigurasi antena. Selain itu, posisi antena/modul juga memainkan peran penting dalam fase desain sehingga perancang perlu mempertimbangkan jarak bebas untuk mencapai grounding modul yang optimal.