Allion Labs / Hank Lee

隨著物聯(lián)網(wǎng)(IoT)產(chǎn)品越來越多，采用Wi-Fi和藍(lán)牙?技術(shù)聯(lián)機(jī)的產(chǎn)品也漸漸增加，越來越多廠商開始投入與研發(fā)具有無線功能且可以與手機(jī)連動的IoT產(chǎn)品。而制造商在選擇適當(dāng)?shù)奶炀€時，常依據(jù)供應(yīng)廠商提供的規(guī)格來判斷天線適不適合自身的產(chǎn)品，但天線組裝在產(chǎn)品上，會因為天線附近的機(jī)構(gòu)件、機(jī)構(gòu)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(xiàn)象。

實際案例

以實際測試過的產(chǎn)品來看天線周邊的機(jī)構(gòu)材料對于性能的影響。該產(chǎn)品通訊技術(shù)為藍(lán)牙?(工作頻率為2.4GHz~2.5GHz之間)，產(chǎn)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(lán)牙?的工作頻段，而在灌膠后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/下為灌膠后待測物

圖二：Return Loss

會造成灌膠前后有如此大的差異是因為天線的頻率在共振時，會經(jīng)過不同介質(zhì)而造成頻偏，關(guān)鍵在于灌膠后介電常數(shù)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(jìn)行縮減后結(jié)果如下圖(圖三)，未灌膠前將天線頻率調(diào)整至偏高頻，灌膠后因上述物理特性使天線頻段往低頻偏移而剛好坐落在藍(lán)牙?工作頻段。

圖三：Return Loss

下方結(jié)果是將天線調(diào)整前后之待測物放入843電波暗室測得其藍(lán)牙?工作頻段內(nèi)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(diào)整長度前，天線的工作頻段未落在藍(lán)牙?工作頻率內(nèi)故所量測出的效率較差都在10%以內(nèi)，而再調(diào)整天線后效率提升至45%以上，調(diào)整前后效能提升35%。

表一：天線效率

下方為場型量測結(jié)果2D場型圖(圖四)與3D場型圖(圖五)，由下圖(圖四)在比起未調(diào)整天線前場型強(qiáng)度整體較弱且小于標(biāo)準(zhǔn)線，而在天線調(diào)整后場型強(qiáng)度明顯增強(qiáng)，在90度方向為場型最強(qiáng)的位置。

圖四：2440MHz 2D場型圖

圖五：2440MHz 天線調(diào)整前3D場型圖

調(diào)整后3D場型圖

圖五上的3D場型為天線調(diào)整前，可觀察出場型強(qiáng)度整體較弱且較不接近全向性，如圖內(nèi)黃線標(biāo)示。相對圖五下為天線調(diào)整后之3D場型圖場型強(qiáng)度明顯比未調(diào)整前強(qiáng)且整體場型更接近全向性，如圖內(nèi)黃線標(biāo)示。

天線的判斷基準(zhǔn)

上述實測案例中所提到的各個參數(shù)的判定基準(zhǔn)，透過以下參數(shù)將逐一解釋其訂定標(biāo)準(zhǔn)與名詞解釋。

以下兩種參數(shù)可以初步判斷天線是否有符合產(chǎn)品所要廣播的頻段：

• 電壓駐波比(VSWR)

電波經(jīng)過不同介質(zhì)，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(yè)界判斷標(biāo)準(zhǔn)為，待測物廣播頻段范圍所測得VSWR數(shù)值必須 ?2。

• 回波損耗(Return Loss)

主要是觀測發(fā)送端看到多大的的信號反射成份通常數(shù)值越低越好，一般業(yè)界判斷標(biāo)準(zhǔn)為待測物廣播頻段范圍所測得Return Loss數(shù)值必須 ?-10dB。

而要進(jìn)一步的去判斷天線質(zhì)量的好壞則需要依據(jù)以下兩中參數(shù)：

• 效率(Efficiency)

一般判定標(biāo)準(zhǔn)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，前者的效率比起后者來的更好。

• 場型(Pattern)

為了使產(chǎn)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(shù)，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(xié)助制造商在產(chǎn)品設(shè)計時間，可實時的知道天線表現(xiàn)進(jìn)而改善問題。

測試架構(gòu)

1. 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(VNA)來量測VSWR與Return Loss這兩個參數(shù)，初步確認(rèn)待測物天線是否有落在工作頻段。

圖六 ： 天線測試架設(shè)圖

 

2. 843電波暗室采用Great Circle Cut架構(gòu)(圖七)，來執(zhí)行天線效率與場型測試。測試軟件則由百佳泰自身開發(fā)的自動量測軟件進(jìn)行量測，只需將待測物固定在轉(zhuǎn)桌上，便可以精準(zhǔn)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(shè)圖

 

結(jié)論

伴隨著IoT產(chǎn)品天線會因為產(chǎn)品機(jī)構(gòu)或材質(zhì)作變更導(dǎo)致原先設(shè)計好的天線頻偏，造成天線性能若是不好或是場型有死角，會造成IoT產(chǎn)品實際使用下會發(fā)生以下問題 ：

• 無法聯(lián)機(jī)。
• 產(chǎn)品會更加的耗電。
• 使用產(chǎn)品時距離稍遠(yuǎn)就發(fā)生斷線。
• 在產(chǎn)品的特定范圍或位置容易發(fā)生斷線或是使用的距離縮短。

因為這些問題而造成不好的用戶體驗，導(dǎo)致客訴，用戶會質(zhì)疑制造商的質(zhì)量管理，進(jìn)而影響了品牌設(shè)計的商譽。

百佳泰重視這些問題，扮演著為客戶質(zhì)量把關(guān)的角色，并提供點線面的全方位測試服務(wù)，協(xié)助您在研發(fā)產(chǎn)品階段可以更迅速的發(fā)現(xiàn)問題以避免產(chǎn)品上市后造成諸多的客訴并協(xié)助您提升產(chǎn)品的市場競爭力。