原创：insight sip
可穿戴电子设备：保持身体穿戴的无线设备连接
Wearable electronics: Keep body‑worn wireless devices connected
Nick Wood和Chris Barratt警告说，可穿戴领域的设备包括医疗、健身和消费类设备，但它们会给无线电通信带来挑战。
图2: 天线增益和链路预算（信道计算）随着地面尺寸的减小而减小
无线电解决方案是针对典型情况而设计的，将PCB上的射频组件安装在塑料盒中，并在PCB周围留有气隙，并优化了隔离区域和接地层。
尽管这对于通用设计而言是合乎逻辑的，但它与典型的可穿戴外壳相距甚远。在这种情况下，射频组件将非常靠近人体，它是微波辐射的强大吸收体。此外，空间非常宝贵。
一, 分析用例
为可穿戴应用设计无线电的第一步是分析和定义用例，并定义整体解决方案架构。这意味着回答以下问题：
• 可穿戴设备将与什么进行通信，以及何时进行通信？
• 需要多少吞吐量或数据速率？
• 是否需要近乎连续的连接，或者在发生中断的情况下，“存储并转发”是否可接受，或者简单地中断数据连续性？
通过分析用例，可以定义需要支持的最坏情况。这是可穿戴设备及其连接设备的位置，以及任何可能的障碍物，包括穿戴者的身体和达到使用目的所需的数据速率。
如果连接仅用于配置设备，则情况不同。在这种情况下，可以假设两个物体彼此靠近并且基本不受阻碍，这与可穿戴设备连续接触相反；在这种情况下，设备的大部分身体可能位于与电话之间的一段距离处。
二, 射频吸收
大多数可穿戴设备都使用蓝牙进行通信，尽管它们可能包括GPS接收器和/或远程无线电，例如蜂窝或LoRa连接。
蓝牙在理想条件下（远距离除外）支持的最大数据速率为2Mbps，这意味着吞吐量限制在1Mbps左右。重要的是要了解需求与这个极限情况之间的距离，以评估问题。
蓝牙的2.4GHz频率容易被人体吸收。研究表明，固定在身体一侧的设备相对于另一侧的设备将衰减60~80dB。
为了确保无线电发射器和接收器之间的通信，需要最小的链路预算。这定义了两个设备之间最大可接受的损耗，同时继续接收良好的数据。损耗受天线增益、失配损耗和路径损耗的影响。预算是最小所需接收信号（接收器灵敏度）和发射功率之间的差。
在典型的蓝牙低功耗情况下，链路预算为+4（Tx功率）+92（Rx灵敏度）= 96dB。
假设天线增益为0dBi，每端1dB的失配损耗，则最大允许路径损耗为 96-1 -1+0+0dB = 94dB.
路径损耗可以通过Friis方程转换为自由空间距离: TRLoss(dB)= 10Log(λ/4πR)^2
对于蓝牙来说，这相当于500m，但这并未考虑由于接近地球表面而导致的衰落。
这导致一对具有94dB链路预算的蓝牙设备的典型范围为50~100米。
下一步是查看设备的物理设计。从无线电角度来看，这里的关键问题是外壳中使用的材料，电池、设备中的无线电组件和PCB的放置，以及天线的选择。
三, 物理设计
技术上的考虑可能会使设计朝着与美学不同的方向发展。
对于材料，建议使用射频透明材料，例如聚合物塑料、ABS或有机玻璃，不建议使用导电金属，尽管可以使用某些带有射频窗口的金属来进行辐射逸出，但性能会降低。
电池通常是金属外壳。理想情况下，它应放置在包含射频组件的PCB侧面，并尽可能将天线分开。然后，电池可以构成射频解决方案的接地层的一部分。
射频组件下方是一个不太有利的位置，应该在垂直方向上尽可能远地分开。
PCB的放置也很关键，因为身体是射频辐射的强吸收体，特别是在2.4GHz的条件下。达到身体和射频组件（特别是天线）之间的最大距离至关重要。
最佳间隔为¼λ（在2.4GHz时等于3×108/4×2.4×109 =〜30毫米）。
这几乎是不可能的，但是大量的仿真显示，在距人体2毫米的距离处，距离人体的天线增益接近-2dBi，在3~4毫米处增加到0dBi。
四, 天线的选择
难题的最后一部分是天线。大天线可提高性能，但可穿戴设备必须小巧且便于佩戴。
天线有三种主要选择。它们的复杂程度从高到低依次为：使用经过认证的带有集成天线的模块，将天线部件连接到射频电路，或将定制天线设计为可穿戴设备的一部分。
就最大程度地减少设计工作量和降低风险而言，第一种选择是最简单的。它还消除了进行冗长而昂贵的认证工作（例如CE、FCC和Bluetooth SiG）的要求。
经验丰富的射频设计人员可以考虑其他两种选择。射频参考设计看似比较容易，但很容易出错。
可穿戴设备已经是一个问题很多的运行环境，参考设计可能会导致设备功能不佳或多个开发周期，以及认证问题。
定制天线设计的可能好处是可以针对设备的整体设计进行优化。这不是一个可以为其提供简单规则的过程。
图: 3D仿真工具为设备建模，并允许优化设计以适合装配和放置
对于此选项，3D仿真工具可以构建设备的计算机模型。这包括射频组件/天线以及人体模型，因此可以正确放置设备（上方）。然后可以对这些元件进行配置，以优化设计。
即使具有这些工具和丰富的经验，这种模拟工作也是一个耗时的过程。
通过原型制作和试错方法可能会导致项目冗长。
五, 方向性
另一个问题是哪种天线方向性和/或极化是最佳的。
大多数小型可穿戴设备都需要全向天线，其增益应尽可能接近0dBi。尽管当发射机和接收机具有交叉极化天线时，设备可能会遭受链路预算减少的事实，但是极化通常是线性的。通常通过反射和/或跳频来减轻这种影响。
如果选择了模块选项，则可以使用足够小的微型解决方案，这些解决方案适合大多数可穿戴设备。在许多情况下，优化微型天线的性能需要做大量工作，因此在设计上很难进行改进。
射频组件的放置也需要考虑。通常，模块制造商会建议在天线部分周围留一个“避开”区域。但是，这可能很难在空间受限的设备中实现，因此需要在尺寸和性能之间进行权衡。
六, 接地平面
一般来说，任何小型天线都在至少具有接近四分之一波长（2.5 GHz时为30mm）的尺寸的金属平面（接地平面）上工作效果最好。对于在2.4GHz ISM频段工作的设备，这通常是可能的，但在低于1GHz的通信中却很难。
对于868MHz ISM频段（Zigbee、LoRa或Sigfox），这意味着最小尺寸为90mm，这对于可穿戴产品来说非常大。图2显示了天线增益和链路预算随着地平面尺寸的减小而减小。
设计可穿戴设备时的关键问题必须考虑到设计穿戴在身体附近的小型设备所面临的挑战。工具可以帮助设计，但反过来说，从头做起的每件事情都只能由经验丰富的设计师来处理。
从一开始就遵循一些简单的设计原则，可以极大地降低风险，并增加将设备按时投放市场的机会。
视频: 环网柜堵头无源无线测温演示, UHF无源无线RFID温度传感器RFM3254 & RFM3250 应用场景之一
insight SiP牌射频模组:小尺寸;内置天线;长距离
过认证FCC(美国),CE(欧洲)
Bluetooth SIG(QDL),RoHS
IMOC
IC(加拿大),TELEC(日本)
iSP1302:采用Nordic的蓝牙芯片nRF51822第三代,尺寸8*8*1mm
iSP150701:采用Nordic的蓝牙芯片nRF52832,尺寸8*8*1mm
iSP130301:采用Nordic的蓝牙芯片nRF51822第三代;尺寸11*8*1.2mm
iSP1807: 采用Nordic的蓝牙芯片nRF52840,尺寸8.0*8.0*1.0mm,完整的蓝牙5 – 长距离堆栈
iSP4520: BLe+LoRa模块 (US/EU频率)
iSP1510: BLe+UwB模块(本案)
UwB/BLe模块,SAW滤波器,光电池&压力传感器样品&报价&技术支持, UwB方案/嵌入式算法请咨询代理商:
座机: 0755-82565851
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