物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備選擇與應(yīng)用天線指南

物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 設(shè)備的激增不斷加速和激發(fā)創(chuàng)新型終端產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。但是，設(shè)計(jì)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)法改變天線的關(guān)鍵作用。如果天線不能正常工作，產(chǎn)品性能就會(huì)受到嚴(yán)重影響。

作為設(shè)備與無(wú)線網(wǎng)絡(luò)之間的接口，天線是物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備設(shè)計(jì)過(guò)程中的關(guān)鍵部分。該器件可在發(fā)射器端將電能轉(zhuǎn)換為電磁射頻 (RF) 波，在接收器端將接收到的 RF 信號(hào)轉(zhuǎn)換為電能。設(shè)計(jì)人員可以通過(guò)選擇符合關(guān)鍵工程參數(shù)的天線來(lái)優(yōu)化應(yīng)用性能。然而，眾多可用選項(xiàng)和考慮因素可能會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)周期延長(zhǎng)和成本增加。

本文總結(jié)了天線在無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中的作用，并簡(jiǎn)要介紹了影響天線選擇的關(guān)鍵設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。隨后以 Amphenol 的天線為例，說(shuō)明了適用于低功耗藍(lán)牙 (LE) 或 Wi-Fi 傳感器、具有 GNSS 衛(wèi)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(shè)備的選擇。

解讀規(guī)格書(shū)

天線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(shè)計(jì)。要想成功實(shí)施，需要仔細(xì)閱讀天線的規(guī)格書(shū)。主要參數(shù)包括：

輻射模式：該參數(shù)以圖形方式定義了天線如何在三維空間中輻射(或吸收)無(wú)線電能量(圖 1)。

最大功率傳輸：當(dāng)傳輸線阻抗 (Z0) 與天線阻抗 (Za) 匹配時(shí)，天線和接收器之間就能實(shí)現(xiàn)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) 表示傳輸線路與天線之間的阻抗匹配情況(表 1)。高 VSWR 值會(huì)導(dǎo)致高功率損耗。對(duì)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(yīng)：回波損耗 (RL) 取決于無(wú)線電頻率。設(shè)計(jì)人員應(yīng)查看規(guī)格書(shū)，了解天線的頻率響應(yīng)，確保在預(yù)定工作頻率下 RL 最小(圖 2)。

方向性：該參數(shù)衡量天線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(jì)算公式為 η = (Prad/Pin) × 100%。

增益：該參數(shù)描述在輻射峰值方向上傳輸?shù)墓β蚀笮?。通常以全向天線為基準(zhǔn)，用單位 dBi 表示。其計(jì)算公式為 Gainmax = η × Dmax。

圖 1：以圖形表示天線如何在三維空間中輻射或吸收無(wú)線電能量的輻射模式。規(guī)格書(shū)通常會(huì)顯示天線按預(yù)期安裝時(shí)在 XY 和 YZ 平面上的最大范圍。(圖片來(lái)源：Amphenol)

VSWR回波損耗 (dB)功率/電壓損耗 %

1----

1.25-19.11.2/11.1

2-9.511.1/33.3

2.5-7.418.2/42.9

3.5-5.130.9/55.5

5-3.544.7/66.6

10-1.767.6/81.8

20-0.8781.9/90.5

表 1：VSWR 表示傳輸線路與天線之間的阻抗匹配情況。對(duì)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(yù)定工作頻率下，RL 應(yīng)盡可能小。(圖片來(lái)源：Amphenol)

提升性能

性能不佳的天線會(huì)限制發(fā)射器端將多少電能轉(zhuǎn)換為輻射能，以及接收器端從接收到的射頻信號(hào)中獲取多少能量。任何一端性能不佳都會(huì)縮小無(wú)線鏈路的范圍。

影響天線性能的主要因素是阻抗。天線阻抗(與輸入端的電壓和電流有關(guān))與驅(qū)動(dòng)天線的電壓源阻抗之間顯著不匹配會(huì)導(dǎo)致能量傳輸不暢。

設(shè)計(jì)精良的阻抗匹配電路可使發(fā)射器電源的阻抗與天線的阻抗相匹配，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(duì)于內(nèi)置天線，設(shè)計(jì)指南建議將其放置在物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備頂部的印刷電路 (pc) 板邊緣，并盡可能遠(yuǎn)離運(yùn)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?yàn)榇祟愒骷仨毧拷炀€。連接天線與其他電路的印刷電路板焊盤(pán)和印制線應(yīng)該是限定凈空區(qū)內(nèi)唯一的銅導(dǎo)體(圖 3)。

圖 3：印刷電路板安裝天線應(yīng)靠近印刷電路板邊緣放置。該天線還應(yīng)遠(yuǎn)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(qū)。(圖片來(lái)源：Amphenol)

(有關(guān)天線設(shè)計(jì)指南的更多詳情，請(qǐng)參閱如何在物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)中使用多頻段嵌入式天線來(lái)節(jié)省空間、降低復(fù)雜性和縮減成本)。

天線類型

指定天線是物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備設(shè)計(jì)流程的關(guān)鍵部分。天線應(yīng)針對(duì)目標(biāo)無(wú)線接口的射頻頻段進(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(qū)的 902 MHz 至 928 MHz，Wi-Fi 適用于 2.4 GHz 和 5 GHz，藍(lán)牙 LE 適用于 2.4 GHz。

天線采用不同的電氣概念。例如單極天線、偶極天線、環(huán)形天線、倒 F 天線 (IFA) 和平面倒 F 天線 (PIFA)。每一種都適用于特定的應(yīng)用。

此外，還有單端天線和差分天線。單端天線是不平衡天線，而差分天線是平衡天線。單端天線會(huì)接收或發(fā)射以地面為基準(zhǔn)的信號(hào)，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，通常需要一個(gè)轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)。這種平衡不平衡轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)可將平衡信號(hào)轉(zhuǎn)換為不平衡信號(hào)。

差分天線則使用兩個(gè)互補(bǔ)信號(hào)進(jìn)行傳輸，每個(gè)信號(hào)都在其各自的導(dǎo)體中。由于天線是平衡的，因此當(dāng)天線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(zhuǎn)換器。

最后，天線有幾種外形尺寸，例如印刷電路板天線、芯片或貼片天線、外置鞭形天線和導(dǎo)線天線。圖 4 顯示了一些示例應(yīng)用。

圖 4：適用于各種物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的不同天線。(圖片來(lái)源：Amphenol)

匹配天線與應(yīng)用

應(yīng)用和產(chǎn)品外形尺寸決定了天線的最終選擇。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直接集成到印刷電路板的電路中。此類天線是 2.4 GHz 應(yīng)用的絕佳選擇，例如智能家居設(shè)備(包括照明、溫控器和安保系統(tǒng))中的藍(lán)牙 LE 或 Wi-Fi 傳感器。它們外形結(jié)構(gòu)小巧，具有可靠的射頻性能。盡管如此，印刷電路板天線的設(shè)計(jì)還是很棘手。另一種方法是從商業(yè)供應(yīng)商處購(gòu)買(mǎi)印刷電路板天線。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 印刷電路板印制線射頻天線就是一種印刷電路板天線。該天線可在 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(nèi)，其 RL 均小于 -10 dB，在 2.4 GHz 頻段，相對(duì)于全向天線，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 印刷電路板印制線天線在 2.4 GHz 和 5 GHz 頻段中都很高效。(圖片來(lái)源：Amphenol)

對(duì)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。自動(dòng)化設(shè)備可直接將這種結(jié)構(gòu)緊湊的元器件安裝到印刷電路板上。該天線適用于基于藍(lán)牙 LE 或 Wi-Fi 的無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。芯片天線的主要優(yōu)勢(shì)是節(jié)省空間、制造成本更低和設(shè)計(jì)流程更簡(jiǎn)單。

如上所述，芯片天線的性能受到印刷電路板布局和周?chē)骷纫蛩氐挠绊?，但天線技術(shù)的進(jìn)步造就了高效設(shè)備。芯片天線適用于從智能手機(jī)和平板電腦到智能家居系統(tǒng)和工業(yè)傳感器等各種應(yīng)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。該天線可在 2.4 GHz 至 2.5 GHz 頻段提供全向輻射模式(圖 6)。天線尺寸為 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 表面貼裝芯片天線結(jié)構(gòu)緊湊，在 XY 平面上可呈現(xiàn)全向輻射模式。(圖片來(lái)源：Amphenol)

與印刷電路板天線一樣，貼片天線也很小巧，可直接粘貼到印刷電路板上。該天線的典型應(yīng)用是資產(chǎn)跟蹤器或其他具有全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng) (GNSS) 功能的設(shè)備。GNSS 貼片天線由電介質(zhì)基板上的貼片元件組成。高效特性可確保天線接收到來(lái)自多顆衛(wèi)星的微弱 GNSS 信號(hào)。

例如，Amphenol 的 ST0543-00-N04-U 無(wú)源 GNSS 貼片天線可在 1.575 GHz 和 1.602 GHz 頻段工作。天線尺寸為 18 x 18 x 4 mm，阻抗為 50 Ω。在這兩個(gè)頻率范圍內(nèi)，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(如 Wi-Fi 接入點(diǎn)上的天線)安裝在物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備外部，以優(yōu)化無(wú)線電操作。外置鞭形天線可擴(kuò)展信號(hào)范圍、提高信號(hào)質(zhì)量并克服障礙或干擾。此類天線適用于信號(hào)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(hào)衰減的情況。提供直式和螺旋式鞭形設(shè)計(jì)，每種設(shè)計(jì)都帶有標(biāo)準(zhǔn)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。該天線是 Wi-Fi 接入點(diǎn)和機(jī)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(nèi)，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 外置鞭形天線配備 SMA 或 RP-SMA 插頭連接器。(圖片來(lái)源：Amphenol)

對(duì)于 Sub-GHz 應(yīng)用(例如在 868 MHz 頻段工作的 LoRa 物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備)而言，螺旋式天線是一種既便宜又簡(jiǎn)單的選擇。此類天線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，而且與某些替代天線相比，效率相對(duì)較低。

例如，Amphenol 的 ST0686-10-N01-U 862 MHz 射頻天線(圖 8)。該螺旋式天線的工作頻率為 862 MHz 至 874 MHz，阻抗為 50 Ω。天線采用通孔焊接安裝，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 螺旋式天線是 LoRa 物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的理想選擇。(圖片來(lái)源：Amphenol)

結(jié)語(yǔ)

無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的無(wú)線電性能取決于天線的選擇，因此設(shè)計(jì)人員必須從 Amphenol 等供應(yīng)商提供的各種天線設(shè)計(jì)中謹(jǐn)慎選擇，以最好地與應(yīng)用相匹配。規(guī)格書(shū)在選擇過(guò)程中至關(guān)重要，但遵循既定的設(shè)計(jì)指南可確保實(shí)現(xiàn)最佳無(wú)線性能。