Exelonix

在工程化智能物联网 (IoT) 设备并交付信号性能最佳、电池续航延长且结构紧凑的产品时，正确的天线选型和布局是需要在设计的早期阶段予以考虑的关键因素。Exelonix是一家为B2B客户提供无线物联网设备和软件服务的德国公司，当时他们正在设计新版车队跟踪设备的第一个版本，但在现场测试中很快发现其射频 (RF) 组件工作异常。初始设计采用了一款低成本的现成天线，其数据手册和应用说明显示性能良好。然而，设备在现场测试时，结果却显示传输性能很弱：蜂窝天线效率仅为7%，GNSS天线性能也很低。并且很明显，通过使用低噪声放大器或软件变通方法来补偿这些低效率，并不能解决最初天线选型和布局所带来的物理局限性。于是，Exelonix委托TE Connectivity来评估根本原因并开发定制天线解决方案。

TE对Exelonix的初始设计进行了深入分析，该设计使用了三款板载天线（蜂窝、GNSS和蓝牙），这些天线是基于数据手册数值、尺寸和应用成本选定的。团队发现了一个物联网设备中的典型问题：接地平面尺寸不足对射频性能产生了负面影响。数据手册要求130mm x 60mm的接地平面才能实现>50%的低频性能和>70%的高频性能。然而，项目要求规定的接地平面尺寸为63mm x 33mm，导致低频效率<10%，高频效率<40%。   

“虽然数据手册通常展示理想的性能结果，但在实际中，天线周围还有其他组件和材料。实际的接地平面尺寸通常远小于参考接地平面。Exelonix的设备需要一个更大的接地平面来提高辐射到空气中的能量效率，而不是因为损耗材料而转化为热量，”TE高级射频天线产品经理Christian Koehler评论道。

分析完成后，TE的工程团队开始了原型设计过程。他们首先尝试修改现有天线（图1），或寻找性能更好但成本效益和量产便利性相当的标准天线。结果显示，GNSS性能依然不足，且蜂窝天线在低频段性能较弱。

随后，团队转向定制天线方案（图2），借鉴智能手机行业的最佳实践，重点利用第三维度来提高带宽和效率。在原型设计的第二阶段，团队开发了一个采用激光直接成型技术的“L”形天线模块。该模块集成了蜂窝和GNSS天线，在最差情况下提供了>20%的效率，性能有所改善，但未能集成蓝牙天线。

基于此概念，团队进一步开发了“U”形LDS天线模块（图3），集成了蜂窝、GNSS和蓝牙天线。该设计通过使天线与接地平面的距离更远，并对天线进行隔离以最小化耦合和信号干扰，从而带来了更大的性能提升。

“虽然我们对第二个概念感到满意，但我们必须将其置于实际使用场景中，评估其在电路板上的距离、位置和高度，”Koehler解释道。他继续说道，“电路板下方有一块电池，可能会影响天线的效率和带宽，因此我们不得不增加电池与电路板之间的距离。此外，跟踪设备下方还有一个金属外壳。团队随后以该外壳作为使用场景示例，将跟踪设备放在电路板上的不同位置（图4）。我们还尝试了设备与接地平面之间的不同高度。对射频性能的影响非常惊人。P2和H1位置代表了最具挑战性的使用场景，因此我们以它们为基准来正确设计天线。”

经过深入的使用场景测试过程，最终选定的设计是“U”形模块天线，该设计集成了蜂窝天线、蓝牙天线和GNSS天线，并实现了接地平面距离最大化。蜂窝天线（图5）采用TE的MetaSpan天线技术制造，具有更小的外形尺寸，有助于防止与相邻射频组件或其他天线发生耦合。平面倒F天线 (PIFA) 则用于实现蓝牙和GNSS功能。

该设计不仅满足了Exelonix的严格要求，而且便于组装，并具有高重复性，适合大规模生产。模块底部的挂钩可直接扣入电路板，天线馈电端则连接到焊接在板面上的弹簧夹。 

通过TE和Exelonix的共同努力，最终天线设计实现了90 x 58 x 15mm的物联网设备外形尺寸，效率>30%，超过了>20%的认证标准。在重复跟踪场景下，GNSS性能提升至99.9%，并且同电量下发送消息数量提升近10倍。

“我们始终致力于在上市时间和最终用户满意度方面超越期望——不仅是天线，还包括相关的连接器、传感器和板级屏蔽。这是客户可以期望从TE获得的，”Koehler解释道。