Mengoptimalkan Desain Antena untuk Perangkat IoT Kompak
Seiring bertambahnya perangkat yang terhubung ke Internet secara nirkabel, insinyur elektronik dihadapkan pada banyak tantangan seperti bagaimana memasang transmiter radio ke dalam peralatan yang ada dan bagaimana merancang serta memproduksi perangkat dengan ukuran yang semakin kecil. Selain itu, mereka berusaha memenuhi kebutuhan pelanggan terhadap produk IoT (Internet of Things) yang kompatibel dengan ergonomi, aksesibilitas yang dapat diterapkan dan harmoni dengan lingkungan.
Saat produk IoT dipertimbangkan, harapan ukuran adalah salah satu pertimbangan terpenting, selain properti radio dan harga juga biasanya dipertimbangkan. Secara ideal, insinyur menyukai komponen IoT dengan ukuran kecil, performa RF (radio frequency) yang unggul, dan harga rendah. Namun, komponen IoT biasanya gagal memuat semua keuntungan yang disebutkan di atas, sehingga penyedia solusi harus dihadapkan pada tantangan.
Untungnya, seiring bergantungnya industri elektronik sepenuhnya pada teknologi proses silicon yang sepenuhnya baru, beberapa tahun terakhir telah menyaksikan ukuran chip silicon yang semakin kecil. Dengan mengintegrasikan MCU (microprogrammed control unit) dan front end RF ke dalam struktur SoC (system on chip), masalah ruang telah berhasil diatasi untuk implementasi IoT. Namun, tren pengembangan menuju SoC belum menyelesaikan masalah terkait struktur fisik transmiter radio, yaitu antena. Kami biasanya menyerahkan desain antena kepada pelanggan atau menasihati mereka untuk memilih 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 memerlukan efisiensi tinggi dan kemampuan koneksi nirkabel yang andal.
Mengapa SoC?
Sejak abad ke-21 menyaksikan pertumbuhan awal IoT, industri dianggap sebagai M2M (machine to machine). Komponen yang berkontribusi pada interkoneksi IoT terutama mencakup modem GPRS, kabel serial Bluetooth atau radio Sub-G. Semua desain memanfaatkan dua komponen utama untuk mencapai koneksi: MCU dan modem nirkabel. Ruang minimum yang cukup untuk implementasi fungsi IoT dasar adalah 50mm dalam semua dimensi, yang berarti ukuran semua perangkat sama dengan telepon seluler.
Seiring konsistensi industri silicon bergerak menuju teknologi yang mengintegrasikan MCU dan fungsi RF ke dalam ruang satu chip, pengembang mulai merangkak lebih banyak peluang. Sekarang, mereka dapat membuat semua fungsi perangkat IoT tercapai dalam IC/SoC yang sama. Karena MCU nirkabel memiliki keuntungan yang jelas, sistem komponen IoT mulai beralih menuju MCU nirkabel. Akibatnya, insinyur mampu merancang perangkat IoT dengan hanya satu jenis komponen dan menghemat ruang. Selain itu, mereka mampu mengurangi biaya karena biaya komponen yang rendah. Saat struktur perangkat IoT modern siap dipilih, sistem berbasis SoC akan lebih populer karena keuntungan dalam ukuran.
Meskipun, tren pengembangan menuju SoC gagal menyelesaikan masalah struktur fisik, yaitu antena.
Bagaimana Mengatur Antena dan Berapa Ruang yang Diperlukan?
Harus diakui bahwa antena harus menghadapi kompleksitas pada banyak dimensi karena ukuran dan efisiensi harus dipertimbangkan. Karena biaya BOM (bill of material) relatif rendah, hal biasa antena dirancang melalui jejak PCB untuk desain IoT. Namun, antena PCB memerlukan persyaratan ukuran yang signifikan yang biasanya dalam rentang 25mm×15mm, yang menyebabkan volume produk IoT menjadi besar. Antena juga memiliki kelemahan lain saat diterapkan dalam modul, yaitu, mereka sangat sensitif terhadap detuning sebagai akibat bahan penyangga dan perlu dipertimbangkan secara khusus dalam proses perakitan produk akhir untuk mencapai keadaan operasi optimal. Dalam desain SoC, sebagai bagian dari desain biasa, pengaturan antena diperoleh bergantung pada beberapa pengetahuan khusus. Dalam desain, tidak ada perbedaan antara antena PCB dan antena lain.
Produsen antena telah lama menyediakan "chip antenna" untuk menyederhanakan pekerjaan desain. Selain itu, jenis antena ini memiliki keuntungan dalam hal ukuran. Kategori antena ini terutama disediakan melalui cara-cara berikut:
a. Antena tidak terkait dengan GND. Jenis antena ini memerlukan range clear dengan ukuran yang cukup besar. Contoh tipikal jenis antena ini mencakup antena unipole dan antena flip-F.
b. Antena terkait dengan GND. Jenis antena ini hanya perlu menyediakan range clear yang cukup kecil atau tidak membutuhkan antena sama sekali.
Keduanya jenis antena memiliki range clear atau ground plane dan persyaratan ruang dalam hal ukuran PCB. Ruang yang dipanggil oleh komponen RF dalam desain IoT juga harus mencakup range clear yang diperlukan karena tidak ada komponen atau jejak yang boleh ditinggalkan di sini, yang berarti ketika perancang memperkirakan ukuran peralatan IoT, ukuran PCB dan range clear harus diperhatikan kompatibel dengan antena. Selain itu, ruang tertentu harus dipertahankan antara antena dan tepi penyangga.
Saat perangkat IoT dirancang dengan ukuran baterai koin, efisiensi antena tentunya rusak. Saat kami mencoba membuat ukurannya lebih kecil, efisiensi untuk mencapai performa RF akan berkurang. Performa perangkat dengan kurang dari 10mm dalam 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, saat ukuran di semua arah mendekati 20mm, efisiensi RF akan meningkat secara dramatis. Saat mendekati 40mm, efisiensi tinggi dari berbagai antena dengan pengaturan ground yang tercapai akan naik ke titik tertinggi.
Itu kemudian berarti bahwa jarak komunikasi antara dua perangkat setara harus berada dalam rentang 60mm hingga 400mm sesuai protokol Bluetooth 4.2. Setelah protokol 15.4 (zigbee misalnya) diterapkan, jarak komunikasi terpanjang dalam jangkauan pandangan dapat mencapai 500 meter atau lebih. Jadi, perancang perlu menyeimbangkan ukuran PCB dan performa serta efisiensi antena berdasarkan perbedaan aplikasi dan ukuran target karena sebagian besar chip antennas semua menganggap ground plane PCB sebagai bagian dari konfigurasi antena. Selain itu, posisi antena/modul juga memainkan peran kunci dalam fase desain sehingga perancang perlu mempertimbangkan range clear untuk mencapai ground optimal modul.
