作者：Pete Bartolik

投稿人：DigiKey 北美編輯

2024-07-16

選擇合適的天線對物聯網 (IoT) 無線應用的成功至關重要。選擇的天線既要性能高又要能靈活地支持不同的網絡，這樣才可以增強電子應用的商業吸引力。

產品設計人員可能會將天線視為無源元件，但隨著他們不斷采用新功能來開發物聯網生態系統，天線對電子應用的成功變得越來越不可或缺。特別是在工業物聯網 (IIoT) 應用中，天線支持多個無線網絡可以實現關鍵的冗余、彈性和覆蓋優化。

除了支持 Wi-Fi 應用外，人們越來越需要采用蜂窩天線，以提供確保物聯網成功所需的關鍵功能。頻譜效率對于對沖無線通信增長帶來的干擾至關重要。提高能效以延長電池壽命是另一項關鍵要求。許多物聯網應用必須在惡劣的環境中運行，例如室外充電站，需要堅固耐用的天線來抵御惡劣的天氣條件或人為破壞。

要確保信號性能不受混凝土或金屬等物理建筑材料的明顯影響，就需要高效的天線。隨著無線服務的競相接入，干凈、無干擾的傳輸對于避免干擾和信號噪聲越來越重要。隨著對工業 5G 應用的需求的不斷增長，這將促使設計人員采用微蜂窩和小蜂窩技術，以克服 5G 無法穿透窗戶和墻壁的問題。

不同的網絡適合的領域各不相同，因此為滿足客戶的需求，產品設計人員需要更高效的天線才可以實現更廣泛的覆蓋，無論是室內還是室外。同樣重要的是，產品設計人員可以利用多網絡支持帶來的適應性，使其應用更加適應未來需要。

多網絡支持可讓供應商和客戶在不同環境中使用一種類型的天線提供連接，而無需管理復雜的多天線庫存。它還允許將不同類型的連接組合在一起，以平衡網絡負載，并將數據流量分配到多個路徑上，從而防止擁塞，并通過為特定任務選擇最佳網絡選項來優化性能。客戶可以根據數據需求選擇最具成本效益的網絡，并在 Wi-Fi 足夠使用的情況下避免使用蜂窩數據。

滿足挑戰性環境需要

無線連接通常是各種環境中任務的關鍵，這給產品設計人員帶來了眾多挑戰。

例如，智能工廠需要在工廠設備、傳感器和中央管理系統之間進行可靠的通信，而且通常是在惡劣的工業環境中進行的。在 Wi-Fi 和蜂窩網絡共存的大型倉庫中，多網絡天線可確保庫存跟蹤和物流管理的無縫連接。

有了高性能天線，就可以在偏遠地區部署傳感器，從氣象站和空氣質量監測器獲取數據，并跟蹤資產或實現智能樓宇應用。在農業領域，它們可以提供有關土壤濕度、作物健康和灌溉系統運行的重要信息。

其他新興應用包括：無論天氣如何都需要與后臺系統通信的電動汽車充電站；提供實時顯示和公告的數字標牌；需要實時監控和門禁控制的安全存儲解決方案；以及移動票務和乘客信息系統。

每種物聯網應用都有獨特的需求，產品設計人員必須適應特定的使用案例以及環境和通信要求。物聯網設備在不同的頻段上運行，這可能會影響性能；此外，設備空間有限，這使得在不影響其他組件的情況下集成天線具有挑戰性。

在為物聯網應用選擇合適的天線時，需要考慮的一些因素包括性能、尺寸、成本和兼容性。這很容易導致設計人員為滿足客戶需求而集成不同的天線，從而產生復雜的支持和供應鏈問題。

多網絡協議

低功耗廣域網 (LPWAN) 協議（如窄帶物聯網 (NB-IoT) ）支持低數據速率，需要低功耗、高增益和高效率，以保持長距離的穩定連接。應用通常需要全向天線提供大面積的寬輻射模式。

相反，短程 Wi-Fi 協議支持高數據傳輸速率，但要求低增益和高效率，以節省功耗并避免干擾其他設備。天線應提供窄輻射模式，以聚焦信號。

蜂窩物聯網協議 LTE CAT-1 為物聯網應用提供中等數據傳輸速率和中等范圍的蜂窩連接。帶寬接收范圍為 1.4 MHz 至 20 MHz，協議支持最高 10 Mb/s 的峰值下行鏈路速率和最高 5 Mb/s 的峰值上行鏈路速率。應用可利用全雙工和低功耗的優勢。

LTE CAT-M1 努力在數據傳輸速率和能效之間取得平衡。其天線支持 1.4 MHz 帶寬，下行鏈路和上行鏈路峰值速率均為 1 Mbit/s，所需的功率非常低。應用可利用全雙工或半雙工功能。

CAT-4 LTE 協議可大幅提高數據傳輸速率，降低延遲，滿足包括實時應用在內的更高要求的物聯網應用。該協議提供全雙工功能，下行鏈路速率最高 150 Mb/s，上行鏈路速率最高 50 Mb/s。

多功能天線

[TE Connectivity (TE)]推出 [VersAnte] 系列多端口物聯網天線，外形小巧，可實現 4G/5G 蜂窩、Wi-Fi 和全球導航衛星系統 (GNSS) 的組合覆蓋。由于能將不同的通信協議集成到單個天線中，工程師就可以用它簡化設計。

與某些需要特定接地層才能獲得最佳性能的天線不同，這些天線與接地層無關，既可安裝在金屬表面，也可安裝在非金屬表面，因此設計人員可將其放置在能優化信號接收的位置。天線罩可使用常見的非金屬噴漆進行噴涂。

TE 的 VersAnte 天線可提供 360° 全向覆蓋，減少了因信號微弱而導致的重新傳輸需求，從而降低了功耗。它們平衡了增益和功耗，優化了整體性能。

這些小巧的天線適用于空間受限的應用，可無縫嵌入狹小的空間，如小型物聯網端點、數字顯示屏和電動汽車充電站。天線堅固耐用，可在惡劣條件下提供可靠的性能，不易因人為破壞或環境因素而損壞。

VersAnte [L000321-01]（圖 1）是一款 3 端口、扁平、圓球形天線。它提供 4G/5G 蜂窩、Wi-Fi 和全球導航衛星系統覆蓋，可滿足從物聯網端點、智能終端到數字標牌等各種應用的需求。其高度為 1.024 英寸 (26.00 mm)，直徑為 3.55 英寸 (90.2 mm)，以較小的封裝實現了很高的性能。

圖 1：VersAnte 蜂窩冰球狀 L000321-01 天線。（圖片來源：TE Connectivity）

TE 還提供 2 端口 [L000322-01]和 3 端口 [L000322-02] 圓頂天線（圖 2），每個天線都有兩個 4G/5G 蜂窩端口和一個可選的 GNSS 端口。每個變型的尺寸為 5.90 x 1.77 x 1.97 英寸 (150 x 1.77 x 1.97 mm)。

圖 2：VersAnte L000322-01 和 L000322-02 天線的外形尺寸。（圖片來源：TE Connectivity）

結語

人們對新型無線應用的需求不斷增長，需要設計人員能夠將多種通信技術集成到產品中。TE Connectivity 的 VersAnte 天線用途廣泛、堅固耐用，采用緊湊、小巧的設計，支持多種無線技術。它們能夠在金屬和非金屬表面上運行，并達到 IP67 和 IP69K 防護等級，因此非常適合室內外環境中各種需要高性能可靠連接的物聯網應用。

審核編輯 黃宇