Allion Labs / Hank Lee

随着物联网(IoT)产品越来越多,采用Wi-Fi和蓝牙技术联机的产品也渐渐增加,越来越多厂商开始投入与研发具有无线功能且可以与手机连动的IoT产品。而制造商在选择适当的天线时,常依据供应厂商提供的规格来判断天线适不适合自身的产品,但天线组装在产品上,会因为天线附近的机构件、机构材料或是为了固定PCB板而灌胶。这些额外的变更都会造成天线频率偏移、场型死角等问题。以下实际案例可以观察到这个现象。

实际案例

以实际测试过的产品来看天线周边的机构材料对于性能的影响。该产品通讯技术为蓝牙(工作频率为2.4GHz~2.5GHz之间),产品为了固定住外壳与PCB板而灌胶 (图一)。在未灌胶前天线已在蓝牙的工作频段,而在灌胶后天线频率往更低频段偏移(图二)可以明确地观察到。

图一:上为灌胶前待测物/下为灌胶后待测物

图二:Return Loss

会造成灌胶前后有如此大的差异是因为天线的频率在共振时,会经过不同介质而造成频偏,关键在于灌胶后介电常数上升在波长与光速不变,频率则会往低频偏移,由(公式一)可以理解其物理特性。

公式一 : 天线波长

针对天线长度进行缩减后结果如下图(图三),未灌胶前将天线频率调整至偏高频,灌胶后因上述物理特性使天线频段往低频偏移而刚好坐落在蓝牙工作频段。

图三:Return Loss

下方结果是将天线调整前后之待测物放入843电波暗室测得其蓝牙工作频段内的低、中、高频率点之效率(表一),而会选择低中高频率点来比较是因为由低中高的频率点效率便可以知道这段频率整体效率趋势。而天线调整长度前,天线的工作频段未落在蓝牙工作频率内故所量测出的效率较差都在10%以内,而再调整天线后效率提升至45%以上,调整前后效能提升35%。

表一:天线效率

下方为场型量测结果2D场型图(图四)与3D场型图(图五),由下图(图四)在比起未调整天线前场型强度整体较弱且小于标准线,而在天线调整后场型强度明显增强,在90度方向为场型最强的位置。

图四:2440MHz 2D场型图

图五:2440MHz 天线调整前3D场型图

调整后3D场型图

图五上的3D场型为天线调整前,可观察出场型强度整体较弱且较不接近全向性,如图内黄线标示。相对图五下为天线调整后之3D场型图场型强度明显比未调整前强且整体场型更接近全向性,如图内黄线标示。

天线的判断基准

上述实测案例中所提到的各个参数的判定基准,透过以下参数将逐一解释其订定标准与名词解释。

以下两种参数可以初步判断天线是否有符合产品所要广播的频段:

  • 电压驻波比(VSWR)

电波经过不同介质,而造成电波有一部分能量被反射而形成行驻波,而电压驻波比指的是行驻波的电压峰值与电压谷值之比。一般业界判断标准为,待测物广播频段范围所测得VSWR数值必须  2。

  • 回波损耗(Return Loss)

主要是观测发送端看到多大的的信号反射成份通常数值越低越好,一般业界判断标准为待测物广播频段范围所测得Return Loss数值必须  -10dB。

而要进一步的去判断天线质量的好坏则需要依据以下两中参数:

  • 效率(Efficiency)

一般判定标准是以比较的方式来判断,例如效率50%的天线与10%的天线比较,前者的效率比起后者来的更好。

  • 场型(Pattern)

为了使产品在各个方位都可以使用,天线场型的要求都会是接近全向性。

针对上述的所有参数,百佳泰提供不同量测方式,可以测得天线的VSWR、Return Loss、效率与场型。协助制造商在产品设计时间,可实时的知道天线表现进而改善问题。

测试架构

  1. 矢量网络分析仪(VNA)来量测VSWR与Return Loss这两个参数,初步确认待测物天线是否有落在工作频段。

图六 : 天线测试架设图

 

  1. 843电波暗室采用Great Circle Cut架构(图七),来执行天线效率与场型测试。测试软件则由百佳泰自身开发的自动量测软件进行量测,只需将待测物固定在转桌上,便可以精准的测得天线效率与天线2D与3D辐射场型。

图七 : 天线测试场地与架设图

 

结论

伴随着IoT产品天线会因为产品机构或材质作变更导致原先设计好的天线频偏,造成天线性能若是不好或是场型有死角,会造成IoT产品实际使用下会发生以下问题 :

  • 无法联机。
  • 产品会更加的耗电。
  • 使用产品时距离稍远就发生断线。
  • 在产品的特定范围或位置容易发生断线或是使用的距离缩短。

因为这些问题而造成不好的用户体验,导致客诉,用户会质疑制造商的质量管理,进而影响了品牌设计的商誉。

百佳泰重视这些问题,扮演着为客户质量把关的角色,并提供点线面的全方位测试服务,协助您在研发产品阶段可以更迅速的发现问题以避免产品上市后造成诸多的客诉并协助您提升产品的市场竞争力。