Miniaturisierung von IoT-Designs

Durch IoT-Designs kommunizieren immer mehr Geräte und Bausteine drahtlos mit dem Internet. Eine Herausforderung für Systementwickler ist es, einen Funksender auf dem vorhandenen Platz der Leiterplatte unterzubringen und trotzdem immer noch kleinere Geräte herzustellen, um den Wünschen ihrer Kunden zu entsprechen. Zu den häufigsten Fragen an den Entwickler zählt die nach der erwarteten Größe des IoT-Produkts, gefolgt von Funkleistung und Preis. Im Idealfall würden Ingenieure gern IoT-Komponenten verwenden, die so klein wie möglich sind, eine hervorragende RF-Performance aufweisen und erschwinglich sind.

Herausforderung Größe bei IoT-Designs

Mit dem Voranschreiten der Halbleiterherstellung hin zu immer kleineren und der Integration von () und RF-Frontend in ein System-on-Chip (SoC) stehen platzsparende, drahtlose MCUs zur Verfügung. Ein physikalisches Problem löst der Trend hin zum SoC jedoch nicht: die Integration der Antenne. Die Wahl des richtigen Antennendesigns wird oft dem Kunden überlassen oder er wird dazu animiert, einsatzfertige, drahtlose Module mit einer integrierten Antenne zu wählen. Der von einer Antenne benötigte Platz ist ein konstantes Problem bei der Entwicklung kleiner IoT-Designs. Er muss sowohl einen hohen RF-Wirkungsgrad als auch zuverlässige, drahtlose Verbindungen ermöglichen.

System-on-Chip schafft Platz

Während des ersten IoT-Booms in den 2000er Jahren hieß das Branchensegment noch Machine-to-Machine (). Bei den für die IoT-Konnektivität angebotenen Komponenten handelte es sich überwiegend um GPRS-Modems und als Ersatz für serielle oder proprietäre Sub-G-Funkgeräte. und Funkmodems waren die Hauptbauelemente und der erforderliche Platz für grundlegende IoT-Funktionalität war normalerweise mit 50 mm in allen Richtungen am kleinsten bemessen. Damit hatten die Bausteine ungefähr die Größe eines Mobiltelefons.

Mit der Möglichkeit, die MCU- und RF-Funktionalität in einem SoC in dieselbe Chipfläche zu integrieren, boten sich neue Möglichkeiten für Entwickler – die IoT-Bausteinarchitekturen verlagerten sich auf drahtlose MCUs. Ingenieure konnten damit IoT-Geräte aus nur einem einzigen Bauelement entwickeln und so viel Platz und Kosten sparen. Damit liegen SoC-basierte Systeme bei der Auswahl der Architektur für aktuelle IoT-Bausteine ganz klar an der Spitze.

Warum Antennen besonders viel Platz auf der Platine benötigen und warum bezüglich des Wirkungsgrads ein Kompromiss gefunden werden muss, erfahren Sie auf der nächsten Seite.

Antennen brauchen Freiflächen

Bild 1: Gedruckte PCB-Antennen benötigen in aller Regel etwa 25 mm x 15 mm Platz, was IoT-Geräte sehr groß ausfallen lässt. Silicon Labs

Bild 2: Bei der Abschätzung der Größe des Designs ist unbedingt die notwendige Freifläche für die Antenne mit einzukalkulieren, die weder Leiterbahnen noch andere Komponenten enthalten darf. Silicon Labs

Die Frage nach der Integration der Antenne stellt Ingenieure auch in der Ära hochintegrierter SoCs vor Herausforderungen. Wieviel Platz muss für die Antenne bereit stehen? Welche Art von Antenne ist geeignet, oder bedient sich der Entwickler eines Moduls mit integrierter Antenne? Dabei sind nicht nur Größe und der Antenne zu beachten, sondern auch Fragen der Verstimmung – besonders wichtig, wenn sich Designs aus verschiedenen Gehäusen zusammensetzen, aber dieselbe Innenarchitektur haben.

Eine gängige Praxis für IoT-Entwicklungen ist der Einsatz von PCB-Leiterbahn-Antennen mit geringen Materialkosten, wie beispielsweise einer invertierten F-Antenne. Jedoch stellen diese gedruckten Leiterplattenantennen mit Abmessungen von üblicherweise 25 mm x 15 mm erhebliche Anforderungen an den Platz (Bild 1), wodurch resultierende IoT-Geräte sehr groß ausfallen. Auch beim Einsatz in einem Modul weisen diese einen Nachteil auf: Sie sind empfindlich gegen Verstimmung, verursacht durch Gehäusematerialien. In SoC-Designs ist die Antennenabstimmung Teil des normalen Designflows und benötigt von Seiten des Entwicklers ein gewisses Maß an Erfahrung.

Hersteller von Antennen bieten seit einiger Zeit sogenannte Chip-Antennen an, um den Entwicklungsaufwand zu reduzieren. Diese Antennen mit kleineren Abmessungen sind in zwei verschiedenen Formen erhältlich: Antennen mit und ohne Kopplung an Erde (GND). Antennen ohne GND-Kopplung sind beispielsweise Monopol- oder invertierte F-Antennen und benötigen eine verhältnismäßig große Fläche frei von Masse, Leiterbahnen und Komponenten (Bild 2). Modelle mit GND-Kopplung benötigen dagegen nur eine kleine oder gar keine Freifläche.

Der für den Funkteil einer IoT-Entwicklung benötigte Platz sollte also auch die notwendige Freifläche mit einkalkulieren, da hier weder Bauelemente noch Leiterbahnen platziert werden können. Zusätzlich sind Trennabstände von der Antenne zur Gehäusekante erforderlich.

Größe vs. Wirkungsgrad – Ein Kompromiss

Die Entwicklung von IoT-Designs von der Größe einer Knopfzellenbatterie läuft immer auf einen Kompromiss hinsichtlich des Wirkungsgrades der Antenne hinaus. Je kleiner die Abmessungen des Designs, desto geringer fällt der Wirkungsgrad bei der RF-Performance aus. Bausteine mit Abmessungen von weniger als 10 mm in allen Richtungen beginnen im 2,4-GHz-Band Fuß zu fassen. Sie bieten dem Anwender eine Bluetooth-Konnektivität von ungefähr 10 m bei einem Mobiltelefon, was für die meisten persönlichen IoT-Geräte akzeptabel ist.

Bild 3: Beispiel eines IoT-Designs für das BGM121-SiP-Modul: Antennenfreifläche, Position des SiP und Abstand vom PCB-Rand beeinflussen die RF-Performance. Silicon Labs

Der Wirkungsgrad des Funks steigt beträchtlich, wenn sich die Dimensionen des Designs in Richtung 20 mm bewegen. Bei einem Mobiltelefon liegt damit abhängig von den Bedingungen die praktische Reichweite bei 20 m bis 40 m. Mit Abmessungen nahe an 40 mm erreicht das IoT-Gerät, bei dem mehrere Antennen auf die Größe der Masse-Ebene abgestimmt sind, seine maximale Leistung.

Beim Bluetooth 4.2-Protokoll liegt damit die praktische Reichweite zwischen zwei identischen Geräten im Bereich von 60 m bis 400 m. Finden 15.4-Protokolle wie Verwendung, steigt die Reichweite des Geräts auf 500 m und darüber. Systementwickler müssen also je nach Anwendung und der angepeilten Designgröße die Antennenleistung und deren Wirkungsgrad im Verhältnis zur Leiterplattengröße mit in Betracht ziehen, da die meisten Chip-Antennen die PCB-GND-Ebene als Teil der Antennenkonfiguration verwenden. Zusätzlich sind die Position der Antenne oder des Antennenmoduls im Design, die notwendigen Freiflächen sowie die optimale Unterbringung des Moduls für den GND-Anschluss von Bedeutung (Bild 3).

Auf der nächsten Seite erfahren Sie, warum externe Antennen nur selten zum Einsatz kommen und was ein System-in-Package gegen Verstimmung hilft.

Extern wird’s teuer

Laut Statistiken von Bluegiga ziehen bei Modulen in der Design-Pipeline nahezu 50 Prozent der IoT-Kunden bei Packaging-Optionen die Leistung und Machbarkeit externer Antennen in Betracht. Diese Antennen sind beispielsweise über einen U.FL-Steckverbinder mit dem verbunden. Letztlich setzen aber nur zehn Prozent dieser evaluierten Designs die externe Antenne ein – 90 Prozent der Kunden wählen Module mit einer eingebauten Chip-Antenne. Ein Grund dafür ist, dass die Mechanik externer Antennen nicht designfreundlich ist; sie sehen hässlich aus und gehen leicht zu Bruch. Darüber hinaus erhöhen externe Antennen Material- und Montagekosten für IoT-Designs.

Ein Vergleich des Wirkungsgrades eines fertig aufgebauten RF-Designs mit externer Antenne mit dem einer Entwicklung mit Chip-Antenne zeigt keine Vorteile, die für den Einsatz einer externen Antenne sprechen. Der eigentliche Vorteil der externen Antenne wird offensichtlich, wenn das Gehäuse des Bausteins metallisch ist und damit einen Faraday’schen Käfig bildet. Dieser macht es RF-Signalen unmöglich, den Baustein zu durchdringen. Doch nur bei äußerst hohen Ansprüchen an die RF-Performance erlauben die Montagekosten und die mechanischen Entwicklungen die Verwendung einer externen Antenne.

System-in-Package gegen Verstimmung

Bild 4: Das SiP BGM121 für kompakte IoT-Systeme benötigt auf einer Leiterplatte 51 mm² Platz. Silicon Labs

Enthält ein IoT-Baustein eine Antenne, spielen die Mechanik und das Gehäuse eine wichtige Rolle beim Verursachen oder Vermeiden von Verstimmungen der Antenne. Die Funkstrahlung wird beim Verlassen der Antenne von umliegenden Materialien beeinflusst und die Antenne wird verstimmt, wenn sie Metall oder sogar Kunststoff berührt. Deshalb ist eine Trennung der Antenne mittels eines physikalischen Kontakts vom Kunststoff- oder Metallgehäuse unumgänglich.

Monopol-Antennen reagieren dabei empfindlicher auf das Gehäusematerial als GND-gekoppelte Antennen. Die SiP-Module von Silicon Labs beheben das Verstimmungsproblem, indem sich die Antenne innerhalb des Substrats befindet und gegen das benachbarte Kunststoffgehäuse verstimmt ist. Damit lässt sich das SiP-Modul beliebig auf dem Design platzieren.

Bild 5: Schematischer Aufbau der SiP-Module der BGM12x-Familie von Silicon Labs. Die integrierete Antenne benötigt eine Freifläche von 5,0 mm x 3,0 mm. Silicon Labs

Das SiP nimmt einschließlich der Antennenfreifläche nur etwas mehr als 50 mm² Platz in Anspruch, lässt so genügend Freiraum für andere Komponenten und ermöglicht die Entwicklung kompakter IoT-Designs (Bild 4). BGM121 mit der kleinsten Montagefläche wurde für die Bluetooth Low-Energy-Technologie entwickelt. Auf 6,5 mm x 6,5 mm sind ein ARM-Cortex-M4F-Core-basierter Mikrocontroller, Flash- und RAM-Speicher und eine integrierte Antenne mit 5,0 mm x 3,0 mm Freifläche sowie sämtliche passiven Komponenten untergebracht (Bild 5). Die SiP-Module eignen sich für Wearables, Systeme der Heimautomatisierung als auch für mobile Sport- und Fitnessgeräte.

(na)