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來(lái)源：Digikey 作者： Steven Keeping 在設計無(wú)線(xiàn)物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 產(chǎn)品時(shí)，你需要了解天線(xiàn)及其作為產(chǎn)品與外部世界之間唯一接口的作用。如果天線(xiàn)選擇不當，最終產(chǎn)品雖然可以通信，但性能會(huì )大打折扣，致使用戶(hù)可能會(huì )放棄，轉而使用其他產(chǎn)品。 許多設計人員面臨的問(wèn)題是，天線(xiàn)解決方案似乎多得讓人眼花繚亂，選擇過(guò)程令人望而生畏。那么，如何為你的設計縮小最佳天線(xiàn)的選擇范圍呢？ 有些決定是比較容易做出的。首先，找到針對你設計的工作頻段進(jìn)行了優(yōu)化的天線(xiàn)。例如，如果產(chǎn)品使用 LoRa 連接并面向美國市場(chǎng)，則天線(xiàn)進(jìn)行優(yōu)化后可在 902 MHz 至 928 MHz 頻段內工作。如果設備支持雙頻 Wi-Fi，則應天線(xiàn)進(jìn)行優(yōu)化后，可在 2.4 GHz 和 5 GHz 射頻頻段內工作。 其次，考慮最終產(chǎn)品的外形尺寸。例如，如果需要支持低功耗藍牙 (LE) 的傳感器具有高度緊湊的外形，那么 Amphenol 的 ST0147-00-011-A 就是一個(gè)不錯的選擇。這是一款 2.4 GHz 表面貼裝片式天線(xiàn)。該天線(xiàn)的尺寸僅為 3.05 x 1.6 x 0.55 mm，可直接安裝在設備電路板上。例如，Wi-Fi 接入點(diǎn) (AP) 就是一個(gè)外形較大設備的例子。這種接入點(diǎn)既能為天線(xiàn)提供足夠的空間，又能滿(mǎn)足良好的覆蓋范圍和高吞吐量的要求。Amphenol 的 ST0226-30-002-A 外置鞭形天線(xiàn)（圖 1）就是一個(gè)不錯的選擇。 
圖 1：ST0226-30-002-A 外置鞭形天線(xiàn)適合雙頻 Wi-Fi 接入點(diǎn)等應用。（圖片來(lái)源： Amphenol） 了解工作頻段和外形尺寸后，事情就變得復雜了。要選擇符合功耗、可靠性、覆蓋范圍和吞吐量規格的天線(xiàn)，需要合理地理解數據表。 一探究竟 以 Amphenol 的 ST0224-10-401-A 的為例，這是一份典型的數據表。（圖 2）這是一款適用于智能儀表和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IIoT) 應用的、可內部安裝的 Wi-Fi 追蹤射頻天線(xiàn)。數據表中包含有關(guān)該器件的輻射模式、最大傳輸功率、頻率響應、增益和效率等信息。讓我們來(lái)了解一下這些參數的含義。
圖 2：ST0224-10-401-A Wi-Fi 追蹤射頻天線(xiàn)可內部安裝，且適合智能儀表和 IIoT 應用。（圖片來(lái)源： Amphenol） 輻射模式：以圖形方式定義天線(xiàn)如何在三維空間中輻射（或吸收）射頻 (RF) 能量。數據表通常會(huì )顯示兩到三個(gè) 3 維輻射模式切片，其中一個(gè)顯示 XY 平面上的輻射峰值，另一個(gè)顯示 ZY（和/或 ZX）平面上的峰值（圖 3）。通常情況下，當天線(xiàn)安裝在最終產(chǎn)品中時(shí)，這種平面圖被稱(chēng)為 “方位角”（XY 平面）和 “仰角”（與 XY 平面正交，例如穿過(guò) ZY 平面）。
圖3：所示為 Wi-Fi 追蹤天線(xiàn)在 XY 平面（左）和 ZY 平面（右）上的峰值輻射模式。（圖片來(lái)源： Amphenol） 全向天線(xiàn)（如偶極天線(xiàn)）在所有方向上都能相對均等地輻射或接收無(wú)線(xiàn)電能量。這種天線(xiàn)適合許多物聯(lián)網(wǎng)應用，因為開(kāi)發(fā)人員往往需要確保設備之間在任何相對方向上的連接。Amphenol 的 ST0224-10-401-A 天線(xiàn)的數據表顯示，該天線(xiàn)是一種全向天線(xiàn)。 全向天線(xiàn)的缺點(diǎn)是傳輸能量會(huì )在不斷擴大的球體表面耗散，從而以指數形式衰減信號強度并影響傳輸距離。與此相反，定向天線(xiàn)使用波束形成等技術(shù)將無(wú)線(xiàn)電能量集中在特定方向上，從而增大了傳輸距離。 最大功率傳輸：當傳輸線(xiàn)路阻抗 (Z0) 等于天線(xiàn)阻抗 (Za) 時(shí)，功率傳輸達到峰值。通常，即使是設計良好的阻抗匹配電路，也會(huì )有一些功率被天線(xiàn)沿傳輸線(xiàn)反射回來(lái)。衡量 Z0 和 Za 阻抗匹配程度的常用指標是電壓駐波比 (VSWR)。VSWR 為 1 時(shí)，表示不存在阻抗不匹配損耗，數字越大表示損耗越大。 例如，VSWR 為 3.0 時(shí)表示約 75% 的功率傳遞到天線(xiàn)。反射波與入射波的功率比稱(chēng)為回波損耗 (RL)。這表示反射波功率比入射波功率降低了多少分貝 (dB)。VSWR 低于 1.5 (L ≈ 14 dB) 就是一種令人滿(mǎn)意的匹配。在 2.4 GHz 和 5 GHz 頻段工作時(shí)，Amphenol ST0224-10-401-A-10 天線(xiàn)的 RL 為 -10 dB。 由于 RL 也取決于無(wú)線(xiàn)電頻率，因此開(kāi)發(fā)人員應檢查天線(xiàn)的頻率響應，以確保在預定工作頻段內 RL 最�。▓D 4）。
圖 4：RL 取決于頻率。開(kāi)發(fā)人員應確保天線(xiàn)在預定工作頻率下具有最小 RL。（圖片來(lái)源： Amphenol） 增益和效率：增益描述了在峰值輻射方向上的傳輸功率大小，通常以 dB 為單位，參考各向同性天線(xiàn) (dBi)。增益與天線(xiàn)的指向性和效率有關(guān)。指向性衡量天線(xiàn)輻射模式的方向性。例如，完美的全向天線(xiàn)的定向性為零，指向性為 1（或 0 dB）。指向性通常以輻射模式的峰值 (Dmax) 來(lái)表示。在天線(xiàn)規格表中，增益比指向性更常被引用，因為增益考慮了 VSWR 失配和能量損失。 效率 (η) 是總輻射功率 (TRP 或 Prad) 與輸入功率 (Pin) 之比。TRP 的計算方法是，對整個(gè)輻射模式的發(fā)射功率進(jìn)行積分。要計算 η，可使用公式 η = (Prad/Pin) * 100%。天線(xiàn)的峰值增益為 Gainmax = η * Dmax。 增益為 3 dB 的發(fā)射天線(xiàn)的輻射功率是輸入功率相同的各向同性無(wú)損天線(xiàn)的兩倍。無(wú)損天線(xiàn)的效率為 0 dB（或 100%）。同樣，峰值增益為 3 dB 的接收天線(xiàn)接收到的功率是各向同性無(wú)損天線(xiàn)的兩倍。以我們的 Amphenol 為例，2.4 GHz 頻段的峰值增益為 2.1 dBi，5 GHz 頻段的峰值增益為 3.1 dBi。 高增益并不總是好事。如果傳入信號的方向未知，那么最好使用低增益（低指向性）天線(xiàn)，以確保對來(lái)自各個(gè)方向的信號都能做出令人滿(mǎn)意的響應。智能手機上的天線(xiàn)就是一個(gè)例子。這種天線(xiàn)需要低增益，因為傳入和發(fā)射到最近蜂窩基站的信號方向是任意的。 結束語(yǔ) 天線(xiàn)是物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品的關(guān)鍵部件。選擇不當會(huì )嚴重影響無(wú)線(xiàn)設備的性能。天線(xiàn)選型過(guò)程中的某些工作簡(jiǎn)單明了，如選擇與工作頻率匹配的天線(xiàn)以及能夠適合可用空間的天線(xiàn)。選擇正確天線(xiàn)的關(guān)鍵是理解數據表中的術(shù)語(yǔ)，并特別注意輻射模式、最大傳輸功率、頻率響應和增益。 |
