物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目依靠無線連接來連接設(shè)備，但最佳連接類型以及天線技術(shù)取決于相關(guān)應(yīng)用。

Wi-Fi 可能是接入點(diǎn)、便攜式設(shè)備或 IP 攝像頭的不錯(cuò)選擇，而遠(yuǎn)程監(jiān)控、智能電表、智能建筑、智能城市、制造自動(dòng)化、智能農(nóng)業(yè)和跟蹤等工業(yè)應(yīng)用更可能使用 LP -WAN 網(wǎng)絡(luò)，例如 NB-IoT、LoRa、SigFox、ISM 791-960MHz 或蜂窩網(wǎng)絡(luò)。每種類型的網(wǎng)絡(luò)都有各種各樣的嵌入式天線。

本文討論了可用的選項(xiàng)以及影響您選擇天線的一些因素。

天線選擇

您選擇的天線應(yīng)整齊地適合 PCB 布局和堆疊。除此之外，它必須在要求的范圍內(nèi)運(yùn)行，不受干擾地運(yùn)行，并使用合理的功率水平。當(dāng)設(shè)計(jì)進(jìn)入測試階段時(shí)，所有這些性能因素都將得到驗(yàn)證，但明智的天線選擇和滿足其要求的設(shè)計(jì)將使設(shè)計(jì)有一個(gè)良好的開端。

乍一看，外形尺寸更小的天線可能看起來很有希望，但還有更多需要考慮。天線的拓?fù)錄Q定了它的效率、帶寬、輻射方向圖和增益，因此最小的天線可能不是最佳選擇。

還有很多設(shè)計(jì)因素需要考慮，包括天線與其他組件的接近程度、天線在板上的位置、天線的接地平面要求以及設(shè)備使用環(huán)境中的干擾水平。

芯片或表面貼裝設(shè)計(jì) （SMD） 天線在小型設(shè)備中變得非常流行。在這里，我們回顧一下 SMD 嵌入式天線的主要類型。

表面貼裝器件 （SMD） 天線

SMD 天線需要一個(gè)接地平面—— 天線用于諧振的一定大小的空間——位于天線 下方或附近。這意味著天線封裝必須沒有其他可能干擾天線輻射的組件，并且 PCB 上的所有層都應(yīng)該有類似的間隙。

凈空區(qū)域中僅存在天線焊盤以及與饋電和接地的連接（圖 1）。每個(gè)天線的接地平面要求將在制造商的數(shù)據(jù)表中進(jìn)行說明。

圖 1.這種天線，LP-WAN 的 Latona 芯片天線需要 20.0 x 11.0 mm 的間隙，與天線的尺寸相同。

跟蹤天線

跟蹤天線曾經(jīng)是顯而易見的選擇。它們相對(duì)便宜，可以快速大規(guī)模復(fù)制。

然而，它們在電路板上占用的空間是現(xiàn)代芯片天線的十倍。由于它們是純二維的，它們無法提供與平面倒 F 天線 （PIFA）、芯片甚至貼片相同的節(jié)省空間的功能。在實(shí)踐中，它們可能難以調(diào)整，因?yàn)殡娐钒宀牧匣蚪M件布局的微小變化會(huì)影響它們的性能，并且它們并不總是針對(duì)您的設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化。

陶瓷貼片天線

陶瓷貼片天線在定位應(yīng)用中很受歡迎，并且可以在車輛中很好地工作，但由于多種原因，它們的受歡迎程度有所下降。

首先，它們的方向性很強(qiáng)，必須直接指向天空才能有效運(yùn)行。小型陶瓷貼片天線可能很昂貴，但由于可用于發(fā)射和接收射頻能量的陶瓷材料短缺，它們的性能會(huì)有所不同。

較小的貼片天線往往只支持較窄的頻段，因此在需要更寬頻率的情況下，其他類型的天線更可取。

PIFA Antennas

PIFA 已成為事實(shí)上的無線解決方案。它們現(xiàn)在在手持設(shè)備、可穿戴設(shè)備和小型物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中無處不在，主要是因?yàn)樗鼈兛梢蕴峁└咚降男阅芎托〕叽纾€因?yàn)樗鼈儚V泛可用且價(jià)格低廉。它們在四分之一波長處產(chǎn)生共振并產(chǎn)生良好的 SAR 特性。

所有這些使它們成為設(shè)計(jì)師的便捷選擇。它們易于集成，電路匹配只涉及一個(gè)簡單的匹配電路。還有一個(gè)優(yōu)勢：它們可以放置在 PCB 接地平面的頂部，以允許將組件放置在天線下方。PIFA 是目前最流行的天線拓?fù)洌驗(yàn)樗庑涡∏汕夷軌蛱峁└咚降男阅堋?/p>

電小天線

ESA 或電小型天線比其指定波長短得多。一些天線在接地平面的 1/4 或 1/2 上工作，而 ESA 可以小至波長的 1/10。

世界上第一批天線中的一些使用了這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，它們的性能最近在增益、帶寬和場方向圖方面有了顯著提高。這些天線可能很小，可能小于 20 毫米。它們相對(duì)不受接近和失諧的影響，并且可以使用一種稱為波束控制的技術(shù)來相對(duì)輕松地?cái)U(kuò)展其系統(tǒng)容量。

磁環(huán)天線

最后，還有磁環(huán)天線，它與天線附近區(qū)域的磁場波耦合。它們在需要在緊湊外形內(nèi)實(shí)現(xiàn)高性能的超小型設(shè)備中完美運(yùn)行。它們具有抗失諧的能力，是 PCB 空間非常寶貴且性能至關(guān)重要的可穿戴和手持設(shè)備的理想選擇。

其他天線類型和拓?fù)?/p>

SMD 并不是嵌入式無線的唯一解決方案；還有其他天線拓?fù)淇赡軐?duì)某些物聯(lián)網(wǎng)和嵌入式設(shè)計(jì)有用。

有靈活的和外部的天線，它們都具有優(yōu)勢。柔性天線不直接位于 PCB 上，也不需要接地層。外部天線位于設(shè)備外部，可與各種接地平面尺寸良好配合，并在自由空間中有效運(yùn)行，從而簡化了天線集成。

圖 2. SMD、FPC 和終端天線

柔性天線

如果設(shè)備內(nèi)沒有太多空間，柔性天線 （FPC） 可能是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。FPC 不需要放置在實(shí)際的 PCB 上——它通過自己的集成 I-PEX 電纜連接到系統(tǒng)。

FPC 不需要接地層來輻射，因此它可以塞進(jìn)設(shè)備的外殼內(nèi)。這有助于節(jié)省 PCB 上的空間，但 FPC 天線的集成需要小心，因?yàn)殡娎|在輻射時(shí)實(shí)際上會(huì)成為天線的一部分。

圖 3.放置在跟蹤設(shè)備外殼內(nèi)的SRFC025 柔性天線，并通過其電纜和 I-PEX 連接器連接到電路板。

終端天線

在應(yīng)用程序需要關(guān)鍵任務(wù)無線性能的情況下，終端天線可能會(huì)提供獲得最高性能水平的機(jī)會(huì)——尤其是在存在其他射頻噪聲的環(huán)境中。這些天線要大得多，并放置在設(shè)備的外部。

它們可以在自由空間中實(shí)現(xiàn)出色的性能，而無需任何設(shè)備內(nèi)調(diào)整或匹配。

電路板尺寸和布局：節(jié)省空間

PCB 設(shè)計(jì)的尺寸和布局可能會(huì)決定您對(duì)天線的選擇。空間總是很寶貴，因此緊湊、低調(diào)的天線通常是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。

請記住，天線應(yīng)遠(yuǎn)離其他“嘈雜”的組件，例如電池、電機(jī)和設(shè)計(jì)的金屬部件，這可能會(huì)造成干擾并影響設(shè)備的無線性能。如果設(shè)備的外殼由金屬制成，則可能會(huì)導(dǎo)致問題，因此塑料通常是更安全的選擇

接地層要求將是決定電路板布局的一個(gè)因素。如果空間狹小，設(shè)計(jì)用于在 PCB 的一個(gè)邊緣或一角工作的芯片天線可能是一個(gè)不錯(cuò)的選擇，可以節(jié)省電路板上的大量空間。

圖 4.該天線在角落工作，并提供左右選項(xiàng)，讓設(shè)計(jì)人員可以在 PCB 上進(jìn)行更多位置選擇。

如果天線是為角落設(shè)計(jì)的，它可能提供左右選項(xiàng)，為設(shè)計(jì)人員在 PCB 上提供更多位置選擇。

制造商的數(shù)據(jù)表將準(zhǔn)確解釋天線應(yīng)如何放置和集成到設(shè)計(jì)中。

物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境

最后，應(yīng)該創(chuàng)建一個(gè)良好的無線設(shè)計(jì)，以便在使用它的環(huán)境中運(yùn)行。

物聯(lián)網(wǎng)解決方案經(jīng)常出現(xiàn)在商業(yè)和工業(yè)環(huán)境中。在工廠自動(dòng)化、車輛和集裝箱跟蹤以及智能建筑的計(jì)量解決方案中都有物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。但是，這些可能不是 RF 的好環(huán)境。當(dāng)附近有金屬物體，或電機(jī)，或其他無線設(shè)備，甚至是人時(shí)，可能會(huì)影響無線性能。

在消聲室中測試設(shè)計(jì)將展示設(shè)備在完美環(huán)境中的性能，但每個(gè)原型也應(yīng)在其真實(shí)工作環(huán)境中進(jìn)行測試。測試是實(shí)現(xiàn)工作設(shè)計(jì)和獲得監(jiān)管批準(zhǔn)的第一步。

審核編輯：郭婷