IoT產品機構與材質多樣性對天線的衝擊

Allion Labs / Hank Lee

隨著物聯網(IoT)產品越來越多,採用Wi-Fi和藍牙技術連線的產品也漸漸增加,越來越多廠商開始投入與研發具有無線功能且可以與手機連動的IoT產品。而製造商在選擇適當的天線時,常依據供應廠商提供的規格來判斷天線適不適合自身的產品,但天線組裝在產品上,會因為天線附近的機構件、機構材料或是為了固定PCB板而灌膠。這些額外的變更都會造成天線頻率偏移、場型死角等問題。以下實際案例可以觀察到這個現象。

實際案例

以實際測試過的產品來看天線周邊的機構材料對於性能的影響。該產品通訊技術為藍牙(工作頻率為2.4GHz~2.5GHz之間),產品為了固定住外殼與PCB板而灌膠 (圖一)。在未灌膠前天線已在藍牙的工作頻段,而在灌膠後天線頻率往更低頻段偏移(圖二)可以明確地觀察到。

圖一:上為灌膠前待測物/下為灌膠後待測物

圖二:Return Loss

會造成灌膠前後有如此大的差異是因為天線的頻率在共振時,會經過不同介質而造成頻偏,關鍵在於灌膠後介電常數上升在波長與光速不變,頻率則會往低頻偏移,由(公式一)可以理解其物理特性。

公式一 : 天線波長

針對天線長度進行縮減後結果如下圖(圖三),未灌膠前將天線頻率調整至偏高頻,灌膠後因上述物理特性使天線頻段往低頻偏移而剛好坐落在藍牙工作頻段。

圖三:Return Loss

下方結果是將天線調整前後之待測物放入843電波暗室測得其藍牙工作頻段內的低、中、高頻率點之效率(表一),而會選擇低中高頻率點來比較是因為由低中高的頻率點效率便可以知道這段頻率整體效率趨勢。而天線調整長度前,天線的工作頻段未落在藍牙工作頻率內故所量測出的效率較差都在10%以內,而再調整天線後效率提升至45%以上,調整前後效能提升35%。

表一:天線效率

下方為場型量測結果2D場型圖(圖四)與3D場型圖(圖五),由下圖(圖四)在比起未調整天線前場型強度整體較弱且小於標準線,而在天線調整後場型強度明顯增強,在90度方向為場型最強的位置。

圖四:2440MHz 2D場型圖

圖五:2440MHz 天線調整前3D場型圖        

調整後3D場型圖

圖五上的3D場型為天線調整前,可觀察出場型強度整體較弱且較不接近全向性,如圖內黃線標示。相對地圖五下為天線調整後之3D場型圖場型強度明顯比未調整前強且整體場型更接近全向性,如圖內黃線標示。

天線的判斷基準

上述實測案例中所提到的各個參數的判定基準,透過以下參數將逐一解釋其訂定標準與名詞解釋。

以下兩種參數可以初步判斷天線是否有符合產品所要廣播的頻段:

  • 電壓駐波比(VSWR)

電波經過不同介質,而造成電波有一部分能量被反射而形成行駐波,而電壓駐波比指的是行駐波的電壓峰值與電壓谷值之比。一般業界判斷標準為,待測物廣播頻段範圍所測得VSWR數值必須  2。

  • 回波損耗(Return Loss)

主要是觀測發送端看到多大的的訊號反射成份通常數值越低越好,一般業界判斷標準為待測物廣播頻段範圍所測得Return Loss數值必須  -10dB。

而要進一步的去判斷天線品質的好壞則需要依據以下兩中參數:

  • 效率(Efficiency)

一般判定標準是以比較的方式來判斷,例如效率50%的天線與10%的天線比較,前者的效率比起後者來的更好。

  • 場型(Pattern)

為了使產品在各個方位都可以使用,天線場型的要求都會是接近全向性。

針對上述的所有參數,百佳泰提供不同量測方式,可以測得天線的VSWR、Return Loss、效率與場型。協助製造商在產品設計階段,可即時的知道天線表現進而改善問題。

測試架構

1. 向量網路分析儀(VNA)來量測VSWR與Return Loss這兩個參數,初步確認待測物天線是否有落在工作頻段。

圖六 : 天線測試架設圖

2. 843電波暗室採用Great Circle Cut架構(圖七),來執行天線效率與場型測試。測試軟體則由百佳泰自身開發的自動量測軟體進行量測,只需將待測物固定在轉桌上,便可以精準的測得天線效率與天線2D與3D輻射場型。


圖七 : 天線測試場地與架設圖

結論

伴隨著IoT產品天線會因為產品機構或材質作變更導致原先設計好的天線頻偏,造成天線效能若是不好或是場型有死角,會造成IoT產品實際使用下會發生以下問題 :

  • 無法連線。
  • 產品會更加的耗電。
  • 使用產品時距離稍遠就發生斷線。
  • 在產品的特定範圍或位置容易發生斷線或是使用的距離縮短。

因為這些問題而造成不好的使用體驗,導致客訴,使用者會質疑製造商的品質管理,進而影響了品牌設計的商譽。

百佳泰重視這些問題,扮演著為客戶品質把關的角色,並提供點線面的全方位測試服務,協助您在研發產品階段可以更迅速的發現問題以避免產品上市後造成諸多的客訴並協助您提升產品的市場競爭力。