作者：Steven Keeping

投稿人：DigiKey 北美編輯

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，無論在硬件和軟件上投入多少創(chuàng)意和精力，也無法改變天線的關(guān)鍵作用。如果天線不能正常工作，產(chǎn)品性能就會受到嚴(yán)重影響。

作為設(shè)備與無線網(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 信號轉(zhuǎn)換為電能。設(shè)計(jì)人員可以通過選擇符合關(guān)鍵工程參數(shù)的天線來優(yōu)化應(yīng)用性能。然而，眾多可用選項(xiàng)和考慮因素可能會導(dǎo)致設(shè)計(jì)周期延長和成本增加。

本文總結(jié)了天線在無線物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中的作用，并簡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

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。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 值會導(dǎo)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(yīng) ：回波損耗 (RL) 取決于無線電頻率。設(shè)計(jì)人員應(yīng)查看規(guī)格書，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 D max 。
• 效率 (η) ：總輻射功率（TRP 或 P rad ）與輸入功率 (P in ) 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　ＭǔＲ匀蛱炀€為基準(zhǔn)，用單位 dBi 表示。其計(jì)算公式為 Gainmax = η × D max 。

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

| | VSWR | 回波損耗 (dB) | 功率/電壓損耗 % |
| ------ | --------------- | ----------------- |
| 1 | -- | -- |
| 1.25 | -19.1 | 1.2/11.1 |
| 2 | -9.5 | 11.1/33.3 |
| 2.5 | -7.4 | 18.2/42.9 |
| 3.5 | -5.1 | 30.9/55.5 |
| 5 | -3.5 | 44.7/66.6 |
| 10 | -1.7 | 67.6/81.8 |
| 20 | -0.87 | 81.9/90.5 |

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。（圖片來源：Amphenol）

提升性能

性能不佳的天線會限制發(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中獲取多少能量。任何一端性能不佳都會縮小無線鏈路的范圍。

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)動天線的電壓源阻抗之間顯著不匹配會導(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(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)。（圖片來源：Amphenol）

（有關(guān)天線設(shè)計(jì)指南的更多詳情，請參閱[ 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)針對目標(biāo)無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。單端天線會接收或發(fā)射以地面為基準(zhǔn)的信號，其特征輸入阻抗通常為 50 Ω。不過，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)可將平衡信號轉(zhuǎn)換為不平衡信號。

差分天線則使用兩個(gè)互補(bǔ)信號進(jìn)行傳輸，每個(gè)信號都在其各自的導(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)商處購買印刷電路板天線。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。（圖片來源：Amphenol）

對于空間有限的物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品來說，另一種選擇是芯片天線。自動化設(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 的無線物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。芯片天線的主要優(yōu)勢是節(jié)省空間、制造成本更低和設(shè)計(jì)流程更簡單。

如上所述，芯片天線的性能受到印刷電路板布局和周圍元器件等因素的影響，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自多顆衛(wèi)星的微弱 GNSS 信號。

例如，Amphenol 的 [ST0543-00-N04-U] 無源 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)化無線電操作。外置鞭形天線可擴(kuò)展信號范圍、提高信號質(zhì)量并克服障礙或干擾。此類天線適用于信號較弱或受阻的環(huán)境，例如家中的墻壁、天花板和家具會使信號衰減的情況。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。（圖片來源：Amphenol）

對于 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，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。（圖片來源：Amphenol）

結(jié)語

無線物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的無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)格書在選擇過程中至關(guān)重要，但遵循既定的設(shè)計(jì)指南可確保實(shí)現(xiàn)最佳無線性能。

審核編輯 黃宇