《不采用电子设备的新一代无线物联网》

  • 来源专题:中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
  • 编译者: 冯瑞华
  • 发布时间:2017-12-12
  • 所谓“物联网”是指在因特网上使用日常物品以各种目的传递有用信息的想法。物联网是新一代信息技术的重要组成部分,也是“信息化”时代的重要发展阶段。其英文名称是:“Internet of things(IoT)”。顾名思义,物联网就是物物相连的互联网,例如,如果开始在某些项目上运行,一个联网的冰箱也许可以订购食品杂货。

    “物联网”概念主要集中在日常物品中嵌入电子产品的想法,根据上个月SIGGRAPH会议和亚洲计算机图形和交互技术展览上的一个新论文,华盛顿大学的研究人员最近开发出一种方法,来连接3D打印对象和互联网,而这个过程中没有电子产品的使用。

    为了创建能够与标准WiFi接收器连接的对象,研究小组使用反向散射方法,允许设备通过反射WiFi信号返回源来发送数据。为了实现这一目标,研究小组使用机械弹簧、齿轮和其他三维打印的部件来完成通常由电气部件完成的功能。

    后向散射系统利用一个天线,通过反射无线信号传递信息,数据返回那些反射模式可以被无线接收器破译。在这种情况下,三维打印对象内的天线是由导电印刷长丝与铜塑料混合制成的。

    在研究小组的新系统中,物理动作(如按下按钮或从容器中流出液体)激活三维打印项目中某处的齿轮和弹簧,导致导电开关通过WiFi接收器的状态交替连接或断开。

    物理动作驱动一个盘绕弹簧,转动齿轮来编码二进制数据。齿轮的齿数的规模和格局确定多长时间后向散射开关连接天线,使数据转换成1和0这种WiFi接收器可以破译的模式。

    研究小组说,使用他们的系统来创建一个流量计,可以跟踪洗衣液的用量并且订购液体洗衣液。这项研究报告的作者Shyam Gollakota,计算机科学与工程学院副教授,说齿轮转动的速度可以告诉你多少洗衣液已经流出洗涤剂瓶。

    三维打印开关和天线之间通过无线网传输数据。然后接收器可以跟踪剩下多少洗衣液,当它低于一定量时,它可以自动向你的Amazon应用程序发送一个信息,以便订购更多。计算机科学与工程学院Shyam Gollakota教授说。

    除了制作流量计外,研究小组还制造了一个风速计和一个刻度尺,可以提供无电子设备的wifi连接。按钮、旋钮和滑块也由团队印刷定制,创建一个小型系统,可以使物联网无缝检测和互动。

    用另一种3D打印长丝混纺塑料和铁,团队还利用磁性在三维打印的产品上无形书写静态数据,它可以涵盖任何东西,从商店的条形码识别到仓库机器人的指令。

    该研究小组说,他们希望设计出大众可以轻松利用的产品,比如检测漏水管道的流量传感器或控制音乐音量的滑块。

    我们的目标是在家里创建你自己的3D打印机,并向其他设备发送有用的信息。但最大的挑战是,你如何只用塑料与WiFi无线通信连接?这是以前没人能做到的事。华盛顿大学电气工程的博士研究生Vikram Iyer这么说到。

  • 原文来源:http://www.xincailiao.com/news/news_detail.aspx?id=112720
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  • 《Virtual AntennaTM使物联网设备设计更便捷》

    • 来源专题:新一代信息技术
    • 编译者:isticzz2022
    • 发布时间:2024-06-05
    •       智能传感器、智能电表、智能跟踪、智能工厂、智能农业以及所有你能想象到的智能事物都需要连接。物联网使事物与其他事物连接起来,因此需要一个相关的参与者来向每个事物发送和接收数据:物联网天线。       致力于开发所有新型物联网设备的无线工程师都在寻找最好的物联网天线:覆盖所有所需频段、占用空间最小、效率最高的天线。除此之外,天线需要与其他射频组件(如模块、放大器和滤波器)集成到设计中,因此,为什么不把它当作另一个组件呢?       Virtual Antenna?技术使一个天线组件能够覆盖所有物联网频段。这种天线称为天线助推器,是一种非常小的芯片天线组件,可以根据需要调谐到全球任何频率。而且由于它是现成的,不需要对天线部分进行定制,因此物联网架构从第一天开始就是可预测的,是大规模生产的理想解决方案。 本文介绍了Virtual Antenna?技术的主要特点,并展示了一个简单的设计流程,该流程仅包含三个简单步骤,介绍了无线设计工程师如何在物联网设备中嵌入Virtual Antenna?。 Virtual Antenna?(虚拟天线)功能        Virtual Antenna?技术基于用一种现成的、微型和多频带组件(称为天线放大器)代替复杂且通常定制的天线设计(图1)。天线放大器本质上是表面贴装和芯片状的,可以无缝地安装在电子印刷电路板上,就像其他电子元件(放大器、滤波器或开关等)一样。Virtual Antenna?之所以得名,是因为当天线放大器被战略性地放置在设备的PCB(印刷电路板)上时,它可以增强PCB接地层上的电流,使其成为一个有效的辐射器[1]-[6]。因此,与其他传统的多频带天线相比,天线放大器的尺寸可以非常小(图1)。例如,图2所示的天线放大器尺寸为12 mm x 3 mm x 2.4 mm,就波长而言,仅代表824 MHz下的λ/30,其最长尺寸为12 mm。这种微型且功能多样的组件最近已被其他物联网设备采用,包括开源硬件平台mangOH? Yellow,这是一种用于蜂窝工业物联网的超级传感器。        除了尺寸小之外,Virtual Antenna?还具有在0.698 GHz至6 GHz频率范围内的多频带操作功能。为了实现单频带或多频带操作,匹配网络与天线放大器结合在一起,采用完全无源解决方案,因为匹配网络由集总元件(电感器和电容器)组成。在一些设备尺寸较小(约50 mm)的特定设备中,使用智能匹配网络的架构也可以与Virtual Antenna?结合使用[7]。最近采用该技术的物联网平台是Nordic Semiconductor的Thingy:91,它是一种多传感器原型套件,非常适合启动蜂窝物联网项目。 天线放大器可以用传统的拾取和放置机器组装,使新一代物联网无线设备的制造和设计更简单、更快、更具成本效益(图2)。 通过三个步骤轻松设计带有嵌入式天线的物联网设备      Virtual Antenna?只需三个简单步骤即可将嵌入式天线集成到物联网设备中。遵循这些基本步骤,设计物联网设备的无线工程师可以轻松嵌入天线。 #步骤1:第一步是将天线升压器放置在设备的PCB中。作为推荐规则,首选位置是设备接地平面的拐角(图3)。在这种情况下,带宽和效率可以最大化,这对多频带应用尤其有吸引力,例如工作在698 MHz–960 MHz和1710–2690 MHz的设备。然而,在带宽不受限制的其他情况下,例如在单波段应用中,例如ISM(BW~3%)、GNSS(BW~3%.)、蓝牙(BW~4%.),也可以使用与拐角不同的其他位置。 重要的是要强调,天线位置应该在设备设计项目的一开始就确定,以便优化设备内天线的性能。否则,在项目的更高级阶段,性能可能很差,很难改进。这意味着天线性能不应仅考虑天线:性能取决于天线与设备的组合。因此,天线增强器位置的正确选择将优化发射和接收功率方面的射频性能。 #步骤2:下一步,即第二步,是设计一个匹配网络。由于天线升压器的输入阻抗主要在工作频带上是无功的,因此需要一个匹配的网络来最大限度地提高进入太空的辐射功率和从太空接收的功率(图4)。该设计流程不同于传统天线设计,传统天线设计中根据操作频带定制天线几何形状[8]。相反,对于Virtual Antenna?,唯一需要的定制是匹配网络,从而实现更快、更容易的设计流程。实际上,通过使用无线行业中使用的大多数微波电路模拟器中可用的网络合成工具,如以下合成网络工具,匹配网络的设计可以完全自动化:National Instruments提供的NI AWR软件和Optenni[9]-[10]提供的Optenni实验室。 得益于这一设计流程,只要设计一个合适的匹配网络,天线增强器就可以在任何频段和任何设备中工作。例如,如果我们有一个物联网设备需要在NB-IoT 900 MHz频段工作,那么一个简单的L型匹配网络就可以工作(图5)。然而,如果设备需要在几个LTE频段上运行,则使用与先前情况相同的天线升压器,但使用不同的匹配网络(图6)。 从这两个例子中可以看出,天线升压器在两种情况下都是相同的组件,唯一发生变化的部分是每种情况下的匹配网络设计。因此,对于每种情况都不需要新的天线设计,因为相同的天线升压器可以用于任何频带。此外,如果PCB尺寸发生变化,则适用相同的设计流程,即天线升压器可以相同,并且只有匹配网络被设计为在所需数量的频带下工作[11]。因此,这对于需要在其设备中嵌入天线的无线工程师来说是一个优势,因为天线升压器保持不变,并且不需要选择不同的天线来集成在其所有不同的设备中。此外,这代表了规模经济优势,因为相同的天线升压器可以集成在不同的平台上。 #步骤3:设计流程中的第三步是测试设备。一旦匹配网络被实现到设备的PCB中,就必须测试VSWR和效率。VSWR可以用提供关于VSWR(或S11)的信息的矢量网络分析器(VNA)来测试。通过测量VSWR(参见图5和图6中的示例),无线设计者知道匹配网络和天线升压器的性能如何。通常,在操作的频带上,小于三的VSWR结果是优选的。紧凑型VNA可在市场上用于测试VSWR,如Rohde&Schwarz提供的VSWR。       一旦VSWR达到指定目标,就必须对总效率进行测试,该测试是在消声室内使用设备进行的(图7)。总效率是辐射到空间的功率(Prad)与射频模块的可用功率(Pavs)之间的比率——(图4)。        尽管VSWR测量可以很好地了解天线系统的性能,但总效率将决定模块有多少功率辐射到太空中,以及匹配网络的附近组件、材料和组件有多少损耗。因此,总效率是确保设备在市场上具有竞争力的相关指标。此外,当测量总效率时,采用完整的设备部件(包括天线升压器、匹配网络以及电池、显示器、外壳等的PCB)提供关于TRP(总辐射功率)的信息,TRP用于许多无线设备认证(等式1),如PTCRB认证。TRP与总效率相关,如等式(1)所示: TRP(dBm)=Pout(dBm)+10·log(总效率)  Ps.其中Pout是来自射频模块的标称输出功率。      例如,假设我们有一个标称输出功率为23 dBm的射频模块,为了证明产品,TRP应高于18 dBm,这意味着总效率必须高于31.6%。这表明,总效率是一个至关重要的参数。从这个意义上说,Virtual Antenna?可以很容易地控制如何在产品认证中优化总效率,因为如果需要进行任何调整,可以通过调整匹配网络来解决。在这种情况下调整天线设计将使项目面临风险,因为新设计需要数周的工作,这在现阶段至关重要。相反,Virtual Antenna?具有简单调整匹配网络的灵活性,这更快速、更容易,最终,这是一个高效的过程,非常方便无线设计工程师开发物联网设备。 结论       Virtual Antenna?使无线设计师能够轻松地将微小的天线组件嵌入物联网设备中。这种微小的天线部件被称为天线升压器,大约100 mm3,比传统的定制天线小十倍。除了非常小之外,只需设计匹配网络,天线升压器就可以在0.698 GHz–6 GHz范围内的任何波段工作。       一个简单的设计过程包括三个步骤,可以将天线增强器嵌入物联网设备:天线增强器的放置、匹配网络的设计以及使用嵌入式天线增强器测试整个设备。       天线布局是一个重要的决定,需要在设备设计的一开始就进行,以优化性能。嵌入式天线的性能应与设备一起考虑,而不是仅考虑天线;行为最终由天线和设备共同决定。       匹配网络的设计很容易用微波电路模拟器系统化,这使得设计流程与放大器的匹配网络相同。这有助于无线工程师将天线嵌入物联网设备,因为它不需要天线专业知识,而是需要电路设计技能。这种设计流程非常灵活,因为如果设备上的任何机械变化影响天线性能,则不需要重新设计天线,而只需要调谐匹配网络。这是一个更快、更容易、更便宜的设计流程。      最后,天线增强器是现成的可供使用的组件,作为SMD组件与典型的取放安装机兼容。
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    • 编译者:isticzz2022
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    • 智能传感器、智能电表、智能跟踪、智能工厂、智能农业以及所有你能想象到的智能事物都需要连接。物联网使事物与其他事物连接起来,因此需要一个相关的参与者来向每个事物发送和接收数据:物联网天线。 致力于开发所有新型物联网设备的无线工程师都在寻找最好的物联网天线:覆盖所有所需频段、占用空间最小、效率最高的天线。除此之外,天线需要与其他射频组件(如模块、放大器和滤波器)集成到设计中,因此,为什么不把它当作另一个组件呢? Virtual Antenna?技术使一个天线组件能够覆盖所有物联网频段。这种天线称为天线助推器,是一种非常小的芯片天线组件,可以根据需要调谐到全球任何频率。而且由于它是现成的,不需要对天线部分进行定制,因此物联网架构从第一天开始就是可预测的,是大规模生产的理想解决方案。 本文介绍了Virtual Antenna?技术的主要特点,并展示了一个简单的设计流程,该流程仅包含三个简单步骤,介绍了无线设计工程师如何在物联网设备中嵌入Virtual Antenna?。 Virtual Antenna?(虚拟天线)功能 Virtual Antenna?技术基于用一种现成的、微型和多频带组件(称为天线放大器)代替复杂且通常定制的天线设计(图1)。天线放大器本质上是表面贴装和芯片状的,可以无缝地安装在电子印刷电路板上,就像其他电子元件(放大器、滤波器或开关等)一样。Virtual Antenna?之所以得名,是因为当天线放大器被战略性地放置在设备的PCB(印刷电路板)上时,它可以增强PCB接地层上的电流,使其成为一个有效的辐射器[1]-[6]。因此,与其他传统的多频带天线相比,天线放大器的尺寸可以非常小(图1)。例如,图2所示的天线放大器尺寸为12 mm x 3 mm x 2.4 mm,就波长而言,仅代表824 MHz下的λ/30,其最长尺寸为12 mm。这种微型且功能多样的组件最近已被其他物联网设备采用,包括开源硬件平台mangOH? Yellow,这是一种用于蜂窝工业物联网的超级传感器。 除了尺寸小之外,Virtual Antenna?还具有在0.698 GHz至6 GHz频率范围内的多频带操作功能。为了实现单频带或多频带操作,匹配网络与天线放大器结合在一起,采用完全无源解决方案,因为匹配网络由集总元件(电感器和电容器)组成。在一些设备尺寸较小(约50 mm)的特定设备中,使用智能匹配网络的架构也可以与Virtual Antenna?结合使用[7]。最近采用该技术的物联网平台是Nordic Semiconductor的Thingy:91,它是一种多传感器原型套件,非常适合启动蜂窝物联网项目。 天线放大器可以用传统的拾取和放置机器组装,使新一代物联网无线设备的制造和设计更简单、更快、更具成本效益(图2)。 通过三个步骤轻松设计带有嵌入式天线的物联网设备 Virtual Antenna?只需三个简单步骤即可将嵌入式天线集成到物联网设备中。遵循这些基本步骤,设计物联网设备的无线工程师可以轻松嵌入天线。 #步骤1:第一步是将天线升压器放置在设备的PCB中。作为推荐规则,首选位置是设备接地平面的拐角(图3)。在这种情况下,带宽和效率可以最大化,这对多频带应用尤其有吸引力,例如工作在698 MHz–960 MHz和1710–2690 MHz的设备。然而,在带宽不受限制的其他情况下,例如在单波段应用中,例如ISM(BW~3%)、GNSS(BW~3%.)、蓝牙(BW~4%.),也可以使用与拐角不同的其他位置。 重要的是要强调,天线位置应该在设备设计项目的一开始就确定,以便优化设备内天线的性能。否则,在项目的更高级阶段,性能可能很差,很难改进。这意味着天线性能不应仅考虑天线:性能取决于天线与设备的组合。因此,天线增强器位置的正确选择将优化发射和接收功率方面的射频性能。 #步骤2:下一步,即第二步,是设计一个匹配网络。由于天线升压器的输入阻抗主要在工作频带上是无功的,因此需要一个匹配的网络来最大限度地提高进入太空的辐射功率和从太空接收的功率(图4)。该设计流程不同于传统天线设计,传统天线设计中根据操作频带定制天线几何形状[8]。相反,对于Virtual Antenna?,唯一需要的定制是匹配网络,从而实现更快、更容易的设计流程。实际上,通过使用无线行业中使用的大多数微波电路模拟器中可用的网络合成工具,如以下合成网络工具,匹配网络的设计可以完全自动化:National Instruments提供的NI AWR软件和Optenni[9]-[10]提供的Optenni实验室。 得益于这一设计流程,只要设计一个合适的匹配网络,天线增强器就可以在任何频段和任何设备中工作。例如,如果我们有一个物联网设备需要在NB-IoT 900 MHz频段工作,那么一个简单的L型匹配网络就可以工作(图5)。然而,如果设备需要在几个LTE频段上运行,则使用与先前情况相同的天线升压器,但使用不同的匹配网络(图6)。 从这两个例子中可以看出,天线升压器在两种情况下都是相同的组件,唯一发生变化的部分是每种情况下的匹配网络设计。因此,对于每种情况都不需要新的天线设计,因为相同的天线升压器可以用于任何频带。此外,如果PCB尺寸发生变化,则适用相同的设计流程,即天线升压器可以相同,并且只有匹配网络被设计为在所需数量的频带下工作[11]。因此,这对于需要在其设备中嵌入天线的无线工程师来说是一个优势,因为天线升压器保持不变,并且不需要选择不同的天线来集成在其所有不同的设备中。此外,这代表了规模经济优势,因为相同的天线升压器可以集成在不同的平台上。 #步骤3:设计流程中的第三步是测试设备。一旦匹配网络被实现到设备的PCB中,就必须测试VSWR和效率。VSWR可以用提供关于VSWR(或S11)的信息的矢量网络分析器(VNA)来测试。通过测量VSWR(参见图5和图6中的示例),无线设计者知道匹配网络和天线升压器的性能如何。通常,在操作的频带上,小于三的VSWR结果是优选的。紧凑型VNA可在市场上用于测试VSWR,如Rohde&Schwarz提供的VSWR。 一旦VSWR达到指定目标,就必须对总效率进行测试,该测试是在消声室内使用设备进行的(图7)。总效率是辐射到空间的功率(Prad)与射频模块的可用功率(Pavs)之间的比率——(图4)。 尽管VSWR测量可以很好地了解天线系统的性能,但总效率将决定模块有多少功率辐射到太空中,以及匹配网络的附近组件、材料和组件有多少损耗。因此,总效率是确保设备在市场上具有竞争力的相关指标。此外,当测量总效率时,采用完整的设备部件(包括天线升压器、匹配网络以及电池、显示器、外壳等的PCB)提供关于TRP(总辐射功率)的信息,TRP用于许多无线设备认证(等式1),如PTCRB认证。TRP与总效率相关,如等式(1)所示: TRP(dBm)=Pout(dBm)+10·log(总效率) Ps.其中Pout是来自射频模块的标称输出功率。 例如,假设我们有一个标称输出功率为23 dBm的射频模块,为了证明产品,TRP应高于18 dBm,这意味着总效率必须高于31.6%。这表明,总效率是一个至关重要的参数。从这个意义上说,Virtual Antenna?可以很容易地控制如何在产品认证中优化总效率,因为如果需要进行任何调整,可以通过调整匹配网络来解决。在这种情况下调整天线设计将使项目面临风险,因为新设计需要数周的工作,这在现阶段至关重要。相反,Virtual Antenna?具有简单调整匹配网络的灵活性,这更快速、更容易,最终,这是一个高效的过程,非常方便无线设计工程师开发物联网设备。 结论 Virtual Antenna?使无线设计师能够轻松地将微小的天线组件嵌入物联网设备中。这种微小的天线部件被称为天线升压器,大约100 mm3,比传统的定制天线小十倍。除了非常小之外,只需设计匹配网络,天线升压器就可以在0.698 GHz–6 GHz范围内的任何波段工作。 一个简单的设计过程包括三个步骤,可以将天线增强器嵌入物联网设备:天线增强器的放置、匹配网络的设计以及使用嵌入式天线增强器测试整个设备。 天线布局是一个重要的决定,需要在设备设计的一开始就进行,以优化性能。嵌入式天线的性能应与设备一起考虑,而不是仅考虑天线;行为最终由天线和设备共同决定。 匹配网络的设计很容易用微波电路模拟器系统化,这使得设计流程与放大器的匹配网络相同。这有助于无线工程师将天线嵌入物联网设备,因为它不需要天线专业知识,而是需要电路设计技能。这种设计流程非常灵活,因为如果设备上的任何机械变化影响天线性能,则不需要重新设计天线,而只需要调谐匹配网络。这是一个更快、更容易、更便宜的设计流程。 最后,天线增强器是现成的可供使用的组件,作为SMD组件与典型的取放安装机兼容。