为物联网项目选择天线

物联网项目依靠无线连接来连接设备，但最佳连接类型以及天线技术取决于相关应用。

Wi-Fi 可能是接入点、便携式设备或 IP 摄像头的不错选择，而远程监控、智能电表、智能建筑、智能城市、制造自动化、智能农业和跟踪等工业应用更可能使用 LP -WAN 网络，例如 NB-IoT、LoRa、SigFox、ISM 791-960MHz 或蜂窝网络。每种类型的网络都有各种各样的嵌入式天线。

本文讨论了可用的选项以及影响您选择天线的一些因素。

天线选择

您选择的天线应整齐地适合 PCB 布局和堆叠。除此之外，它必须在要求的范围内运行，不受干扰地运行，并使用合理的功率水平。当设计进入测试阶段时，所有这些性能因素都将得到验证，但明智的天线选择和满足其要求的设计将使设计有一个良好的开端。

乍一看，外形尺寸更小的天线可能看起来很有希望，但还有更多需要考虑。天线的拓扑决定了它的效率、带宽、辐射方向图和增益，因此最小的天线可能不是最佳选择。

还有很多设计因素需要考虑，包括天线与其他组件的接近程度、天线在板上的位置、天线的接地平面要求以及设备使用环境中的干扰水平。

芯片或表面贴装设计 （SMD） 天线在小型设备中变得非常流行。在这里，我们回顾一下 SMD 嵌入式天线的主要类型。

表面贴装器件 （SMD） 天线

SMD 天线需要一个接地平面—— 天线用于谐振的一定大小的空间——位于天线 下方或附近。这意味着天线封装必须没有其他可能干扰天线辐射的组件，并且 PCB 上的所有层都应该有类似的间隙。

净空区域中仅存在天线焊盘以及与馈电和接地的连接（图 1）。每个天线的接地平面要求将在制造商的数据表中进行说明。

图 1.这种天线，LP-WAN 的 Latona 芯片天线需要 20.0 x 11.0 mm 的间隙，与天线的尺寸相同。

跟踪天线

跟踪天线曾经是显而易见的选择。它们相对便宜，可以快速大规模复制。

然而，它们在电路板上占用的空间是现代芯片天线的十倍。由于它们是纯二维的，它们无法提供与平面倒 F 天线 （PIFA）、芯片甚至贴片相同的节省空间的功能。在实践中，它们可能难以调整，因为电路板材料或组件布局的微小变化会影响它们的性能，并且它们并不总是针对您的设备进行优化。

陶瓷贴片天线

陶瓷贴片天线在定位应用中很受欢迎，并且可以在车辆中很好地工作，但由于多种原因，它们的受欢迎程度有所下降。

首先，它们的方向性很强，必须直接指向天空才能有效运行。小型陶瓷贴片天线可能很昂贵，但由于可用于发射和接收射频能量的陶瓷材料短缺，它们的性能会有所不同。

较小的贴片天线往往只支持较窄的频段，因此在需要更宽频率的情况下，其他类型的天线更可取。

PIFA Antennas

PIFA 已成为事实上的无线解决方案。它们现在在手持设备、可穿戴设备和小型物联网设备中无处不在，主要是因为它们可以提供高水平的性能和小尺寸，还因为它们广泛可用且价格低廉。它们在四分之一波长处产生共振并产生良好的 SAR 特性。

所有这些使它们成为设计师的便捷选择。它们易于集成，电路匹配只涉及一个简单的匹配电路。还有一个优势：它们可以放置在 PCB 接地平面的顶部，以允许将组件放置在天线下方。PIFA 是目前最流行的天线拓扑，因为它外形小巧且能够提供高水平的性能。

电小天线

ESA 或电小型天线比其指定波长短得多。一些天线在接地平面的 1/4 或 1/2 上工作，而 ESA 可以小至波长的 1/10。

世界上第一批天线中的一些使用了这种拓扑结构，它们的性能最近在增益、带宽和场方向图方面有了显着提高。这些天线可能很小，可能小于 20 毫米。它们相对不受接近和失谐的影响，并且可以使用一种称为波束控制的技术来相对轻松地扩展其系统容量。

磁环天线

最后，还有磁环天线，它与天线附近区域的磁场波耦合。它们在需要在紧凑外形内实现高性能的超小型设备中完美运行。它们具有抗失谐的能力，是 PCB 空间非常宝贵且性能至关重要的可穿戴和手持设备的理想选择。

其他天线类型和拓扑

SMD 并不是嵌入式无线的唯一解决方案；还有其他天线拓扑可能对某些物联网和嵌入式设计有用。

有灵活的和外部的天线，它们都具有优势。柔性天线不直接位于 PCB 上，也不需要接地层。外部天线位于设备外部，可与各种接地平面尺寸良好配合，并在自由空间中有效运行，从而简化了天线集成。

图 2. SMD、FPC 和终端天线

柔性天线

如果设备内没有太多空间，柔性天线 （FPC） 可能是一个不错的选择。FPC 不需要放置在实际的 PCB 上——它通过自己的集成 I-PEX 电缆连接到系统。

FPC 不需要接地层来辐射，因此它可以塞进设备的外壳内。这有助于节省 PCB 上的空间，但 FPC 天线的集成需要小心，因为电缆在辐射时实际上会成为天线的一部分。

图 3.放置在跟踪设备外壳内的SRFC025 柔性天线，并通过其电缆和 I-PEX 连接器连接到电路板。

终端天线

在应用程序需要关键任务无线性能的情况下，终端天线可能会提供获得最高性能水平的机会——尤其是在存在其他射频噪声的环境中。这些天线要大得多，并放置在设备的外部。

它们可以在自由空间中实现出色的性能，而无需任何设备内调整或匹配。

电路板尺寸和布局：节省空间

PCB 设计的尺寸和布局可能会决定您对天线的选择。空间总是很宝贵，因此紧凑、低调的天线通常是一个不错的选择。

请记住，天线应远离其他“嘈杂”的组件，例如电池、电机和设计的金属部件，这可能会造成干扰并影响设备的无线性能。如果设备的外壳由金属制成，则可能会导致问题，因此塑料通常是更安全的选择

接地层要求将是决定电路板布局的一个因素。如果空间狭小，设计用于在 PCB 的一个边缘或一角工作的芯片天线可能是一个不错的选择，可以节省电路板上的大量空间。

图 4.该天线在角落工作，并提供左右选项，让设计人员可以在 PCB 上进行更多位置选择。

如果天线是为角落设计的，它可能提供左右选项，为设计人员在 PCB 上提供更多位置选择。

制造商的数据表将准确解释天线应如何放置和集成到设计中。

物联网环境

最后，应该创建一个良好的无线设计，以便在使用它的环境中运行。

物联网解决方案经常出现在商业和工业环境中。在工厂自动化、车辆和集装箱跟踪以及智能建筑的计量解决方案中都有物联网应用。但是，这些可能不是 RF 的好环境。当附近有金属物体，或电机，或其他无线设备，甚至是人时，可能会影响无线性能。

在消声室中测试设计将展示设备在完美环境中的性能，但每个原型也应在其真实工作环境中进行测试。测试是实现工作设计和获得监管批准的第一步。

审核编辑：郭婷