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來(lái)源：Digikey 作者：Steven Keeping 物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 設備的激增不斷加速和激發(fā)創(chuàng )新型終端產(chǎn)品的設計。但是，設計人員必須牢記，無(wú)論在硬件和軟件上投入多少創(chuàng )意和精力，也無(wú)法改變天線(xiàn)的關(guān)鍵作用。如果天線(xiàn)不能正常工作，產(chǎn)品性能就會(huì )受到嚴重影響。 作為設備與無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )之間的接口，天線(xiàn)是物聯(lián)網(wǎng)設備設計過(guò)程中的關(guān)鍵部分。該器件可在發(fā)射器端將電能轉換為電磁射頻 (RF) 波，在接收器端將接收到的 RF 信號轉換為電能。設計人員可以通過(guò)選擇符合關(guān)鍵工程參數的天線(xiàn)來(lái)優(yōu)化應用性能。然而，眾多可用選項和考慮因素可能會(huì )導致設計周期延長(cháng)和成本增加。 本文總結了天線(xiàn)在無(wú)線(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)設備中的作用，并簡(jiǎn)要介紹了影響天線(xiàn)選擇的關(guān)鍵設計標準。隨后以 Amphenol 的天線(xiàn)為例，說(shuō)明了適用于低功耗藍牙 (LE) 或 Wi-Fi 傳感器、具有 GNSS 衛星定位功能的物聯(lián)網(wǎng)資產(chǎn)跟蹤器、Wi-Fi 接入點(diǎn) (AP) 和 LoRa 物聯(lián)網(wǎng)設備的選擇。 解讀規格書(shū) 天線(xiàn)的最終性能取決于工程決策，例如安裝位置和阻抗匹配網(wǎng)絡(luò )的設計。要想成功實(shí)施，需要仔細閱讀天線(xiàn)的規格書(shū)。主要參數包括： · 輻射模式：該參數以圖形方式定義了天線(xiàn)如何在三維空間中輻射（或吸收）無(wú)線(xiàn)電能量（圖 1）。 · 最大功率傳輸：當傳輸線(xiàn)阻抗 (Z0) 與天線(xiàn)阻抗 (Za) 匹配時(shí)，天線(xiàn)和接收器之間就能實(shí)現良好的功率傳輸。阻抗匹配不良會(huì )增加回波損耗 (RL)。電壓駐波比 (VSWR) 表示傳輸線(xiàn)路與天線(xiàn)之間的阻抗匹配情況（表 1）。高 VSWR 值會(huì )導致高功率損耗。對于物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品而言，VSWR 低于 2 是普遍可接受的值。 · 頻率響應：回波損耗 (RL) 取決于無(wú)線(xiàn)電頻率。設計人員應查看規格書(shū)，了解天線(xiàn)的頻率響應，確保在預定工作頻率下 RL 最�。▓D 2）。 · 方向性：該參數衡量天線(xiàn)輻射模式的方向性質(zhì)。最大方向性定義為 Dmax。 · 效率 (η)：總輻射功率（TRP 或 Prad）與輸入功率 (Pin) 的比值，計算公式為 η = (Prad/Pin) × 100%。 · 增益：該參數描述在輻射峰值方向上傳輸的功率大小。通常以全向天線(xiàn)為基準，用單位 dBi 表示。其計算公式為 Gainmax = η × Dmax。 
圖 1：以圖形表示天線(xiàn)如何在三維空間中輻射或吸收無(wú)線(xiàn)電能量的輻射模式。規格書(shū)通常會(huì )顯示天線(xiàn)按預期安裝時(shí)在 XY 和 YZ 平面上的最大范圍。（圖片來(lái)源：Amphenol）
表 1：VSWR 表示傳輸線(xiàn)路與天線(xiàn)之間的阻抗匹配情況。對于物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品而言，VSWR 低于 2 是普遍可接受的值。（表格來(lái)源：Steven Keeping）
圖 2：VSWR 和 RL 取決于頻率。在預定工作頻率下，RL 應盡可能小。（圖片來(lái)源：Amphenol） 提升性能 性能不佳的天線(xiàn)會(huì )限制發(fā)射器端將多少電能轉換為輻射能，以及接收器端從接收到的射頻信號中獲取多少能量。任何一端性能不佳都會(huì )縮小無(wú)線(xiàn)鏈路的范圍。 影響天線(xiàn)性能的主要因素是阻抗。天線(xiàn)阻抗（與輸入端的電壓和電流有關(guān)）與驅動(dòng)天線(xiàn)的電壓源阻抗之間顯著(zhù)不匹配會(huì )導致能量傳輸不暢。 設計精良的阻抗匹配電路可使發(fā)射器電源的阻抗與天線(xiàn)的阻抗相匹配，從而將 VSWR 和隨后的功率損耗降至最低。低功耗物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品的阻抗通常為 50 Ω。 天線(xiàn)的位置也會(huì )極大地影響最終產(chǎn)品的發(fā)射功率和接收靈敏度。對于內置天線(xiàn)，設計指南建議將其放置在物聯(lián)網(wǎng)設備頂部的印刷電路 (pc) 板邊緣，并盡可能遠離運行期間可能產(chǎn)生電磁干擾 (EMI) 的其他元器件。但阻抗匹配元器件除外，因為此類(lèi)元器件必須靠近天線(xiàn)。連接天線(xiàn)與其他電路的印刷電路板焊盤(pán)和印制線(xiàn)應該是限定凈空區內唯一的銅導體（圖 3）。
圖 3：印刷電路板安裝天線(xiàn)應靠近印刷電路板邊緣放置。該天線(xiàn)還應遠離其他元器件（阻抗匹配電路所用的元器件除外），并留出一定的凈空區。（圖片來(lái)源：Amphenol） （有關(guān)天線(xiàn)設計指南的更多詳情，請參閱如何在物聯(lián)網(wǎng)設計中使用多頻段嵌入式天線(xiàn)來(lái)節省空間、降低復雜性和縮減成本）。 天線(xiàn)類(lèi)型 指定天線(xiàn)是物聯(lián)網(wǎng)設備設計流程的關(guān)鍵部分。天線(xiàn)應針對目標無(wú)線(xiàn)接口的射頻頻段進(jìn)行優(yōu)化，例如，NB-IoT 適用于 450 MHz 至 2200 MHz 之間的多個(gè)頻段，LoRa 適用于北美地區的 902 MHz 至 928 MHz，Wi-Fi 適用于 2.4 GHz 和 5 GHz，藍牙 LE 適用于 2.4 GHz。 天線(xiàn)采用不同的電氣概念。例如單極天線(xiàn)、偶極天線(xiàn)、環(huán)形天線(xiàn)、倒 F 天線(xiàn) (IFA) 和平面倒 F 天線(xiàn) (PIFA)。每一種都適用于特定的應用。 此外，還有單端天線(xiàn)和差分天線(xiàn)。單端天線(xiàn)是不平衡天線(xiàn)，而差分天線(xiàn)是平衡天線(xiàn)。單端天線(xiàn)會(huì )接收或發(fā)射以地面為基準的信號，其特征輸入阻抗通常為 50 Ω。不過(guò)，由于許多射頻集成電路都有差分射頻端口，因此如果使用單端天線(xiàn)，通常需要一個(gè)轉換網(wǎng)絡(luò )。這種平衡不平衡轉換網(wǎng)絡(luò )可將平衡信號轉換為不平衡信號。 差分天線(xiàn)則使用兩個(gè)互補信號進(jìn)行傳輸，每個(gè)信號都在其各自的導體中。由于天線(xiàn)是平衡的，因此當天線(xiàn)與帶有差分射頻端口的射頻集成電路一起使用時(shí)，就無(wú)需使用平衡不平衡轉換器。 最后，天線(xiàn)有幾種外形尺寸，例如印刷電路板天線(xiàn)、芯片或貼片天線(xiàn)、外置鞭形天線(xiàn)和導線(xiàn)天線(xiàn)。圖 4 顯示了一些示例應用。
圖 4：適用于各種物聯(lián)網(wǎng)應用的不同天線(xiàn)。（圖片來(lái)源：Amphenol） 匹配天線(xiàn)與應用 應用和產(chǎn)品外形尺寸決定了天線(xiàn)的最終選擇。例如，如果物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品空間有限，則可將印刷電路板天線(xiàn)直接集成到印刷電路板的電路中。此類(lèi)天線(xiàn)是 2.4 GHz 應用的絕佳選擇，例如智能家居設備（包括照明、溫控器和安保系統）中的藍牙 LE 或 Wi-Fi 傳感器。它們外形結構小巧，具有可靠的射頻性能。盡管如此，印刷電路板天線(xiàn)的設計還是很棘手。另一種方法是從商業(yè)供應商處購買(mǎi)印刷電路板天線(xiàn)。然后可以使用背膠將其粘貼到印刷電路板上。 例如，Amphenol 的 ST0224-10-401-A Wi-Fi 印刷電路板印制線(xiàn)射頻天線(xiàn)就是一種印刷電路板天線(xiàn)。該天線(xiàn)可在 2.4 GHz 至 2.5 GHz 和 5.15 GHz 至 5.85 GHz 頻段提供全向輻射模式。天線(xiàn)尺寸為 30 x 10 x 0.2 mm，阻抗為 50 Ω。在這兩個(gè)頻率范圍內，其 RL 均小于 -10 dB，在 2.4 GHz 頻段，相對于全向天線(xiàn)，其峰值增益為 2.1 dBi，在 5 GHz 頻段為 3.1 dBi。效率分別為 77% 和 71%（圖 5）。
圖 5：ST0224-10-401-A Wi-Fi 印刷電路板印制線(xiàn)天線(xiàn)在 2.4 GHz 和 5 GHz 頻段中都很高效。（圖片來(lái)源：Amphenol） 對于空間有限的物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，另一種選擇是芯片天線(xiàn)。自動(dòng)化設備可直接將這種結構緊湊的元器件安裝到印刷電路板上。該天線(xiàn)適用于基于藍牙 LE 或 Wi-Fi 的無(wú)線(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)應用。芯片天線(xiàn)的主要優(yōu)勢是節省空間、制造成本更低和設計流程更簡(jiǎn)單。 如上所述，芯片天線(xiàn)的性能受到印刷電路板布局和周?chē)骷纫蛩氐挠绊�，但天線(xiàn)技術(shù)的進(jìn)步造就了高效設備。芯片天線(xiàn)適用于從智能手機和平板電腦到智能家居系統和工業(yè)傳感器等各種應用。 例如，Amphenol 的 ST0147-00-011-A 就是一款 2.4 GHz 印刷電路板表面貼裝芯片天線(xiàn)。該天線(xiàn)可在 2.4 GHz 至 2.5 GHz 頻段提供全向輻射模式（圖 6）。天線(xiàn)尺寸為 3.05 x 1.6 x 0.55 mm，阻抗為 50 Ω。其 RL 小于 -7 dB，峰值增益為 3.7 dBi，平均效率為 80%。
圖 6：ST0147-00-011-A 表面貼裝芯片天線(xiàn)結構緊湊，在 XY 平面上可呈現全向輻射模式。（圖片來(lái)源：Amphenol） 與印刷電路板天線(xiàn)一樣，貼片天線(xiàn)也很小巧，可直接粘貼到印刷電路板上。該天線(xiàn)的典型應用是資產(chǎn)跟蹤器或其他具有全球導航衛星系統 (GNSS) 功能的設備。GNSS 貼片天線(xiàn)由電介質(zhì)基板上的貼片元件組成。高效特性可確保天線(xiàn)接收到來(lái)自多顆衛星的微弱 GNSS 信號。 例如，Amphenol 的 ST0543-00-N04-U 無(wú)源 GNSS 貼片天線(xiàn)可在 1.575 GHz 和 1.602 GHz 頻段工作。天線(xiàn)尺寸為 18 x 18 x 4 mm，阻抗為 50 Ω。在這兩個(gè)頻率范圍內，其 RL 均小于 -10 dB，在 1.575 GHz 頻段，其峰值增益為 -0.5 dBi，在 1.602 GHz 頻段為 1.0 dBi。效率分別為 80% 和 82%。 外置鞭形天線(xiàn)（如 Wi-Fi 接入點(diǎn)上的天線(xiàn)）安裝在物聯(lián)網(wǎng)設備外部，以?xún)?yōu)化無(wú)線(xiàn)電操作。外置鞭形天線(xiàn)可擴展信號范圍、提高信號質(zhì)量并克服障礙或干擾。此類(lèi)天線(xiàn)適用于信號較弱或受阻的環(huán)境，例如家中的墻壁、天花板和家具會(huì )使信號衰減的情況。提供直式和螺旋式鞭形設計，每種設計都帶有標準的射頻接口連接，例如 SMA、RP-SMA 和 N 型。 例如，Amphenol 的 ST0226-30-002-A 2.4 GHz 和 5 GHz SMA 棒形射頻天線(xiàn)。該天線(xiàn)是 Wi-Fi 接入點(diǎn)和機頂盒 (STB) 的理想解決方案。其可在 2.4 GHz 至 2.5 GHz 和 5.15 GHz 至 5.85 GHz 頻段提供全向輻射模式。天線(xiàn)尺寸為 88 x 7.9 mm（直徑），阻抗為 50 Ω。在這兩個(gè)頻率范圍內，其 RL 均小于 -10 dB，在 2.4 GHz 頻段，其峰值增益為 3.0 dBi，在 5 GHz 頻段為 3.4 dBi。效率分別為 86% 和 75%。該天線(xiàn)配備 SMA 或 RP-SMA 插頭連接器（圖 7）。
圖 7：用于 Wi-Fi 接入點(diǎn)的 ST0226-30-002-A 外置鞭形天線(xiàn)配備 SMA 或 RP-SMA 插頭連接器。（圖片來(lái)源：Amphenol） 對于 Sub-GHz 應用（例如在 868 MHz 頻段工作的 LoRa 物聯(lián)網(wǎng)設備）而言，螺旋式天線(xiàn)是一種既便宜又簡(jiǎn)單的選擇。此類(lèi)天線(xiàn)通常直接焊接在印刷電路板上，性能良好。不過(guò)，缺點(diǎn)是體積龐大，尤其是工作在低頻的天線(xiàn)，而且與某些替代天線(xiàn)相比，效率相對較低。 例如，Amphenol 的 ST0686-10-N01-U 862 MHz 射頻天線(xiàn)（圖 8）。該螺旋式天線(xiàn)的工作頻率為 862 MHz 至 874 MHz，阻抗為 50 Ω。天線(xiàn)采用通孔焊接安裝，最大高度為 38.8 mm。其 RL 小于 -9.5 dB，峰值增益為 2.5 dBi，平均效率為 58%。
圖 8：ST0686-10-N01-U 螺旋式天線(xiàn)是 LoRa 物聯(lián)網(wǎng)應用的理想選擇。（圖片來(lái)源：Amphenol） 結語(yǔ) 無(wú)線(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)設備的無(wú)線(xiàn)電性能取決于天線(xiàn)的選擇，因此設計人員必須從 Amphenol 等供應商提供的各種天線(xiàn)設計中謹慎選擇，以最好地與應用相匹配。規格書(shū)在選擇過(guò)程中至關(guān)重要，但遵循既定的設計指南可確保實(shí)現最佳無(wú)線(xiàn)性能。 |
