可用的物聯(lián)網(wǎng)嵌入式天線選項(xiàng)及影響因素分析

本文編譯自Embedded-Computing

物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目依賴于無(wú)線連接，而無(wú)線連接信號(hào)的好壞，則依賴于芯片本身以及天線。

Wi-Fi是便攜式設(shè)備或IP攝像頭的首選，而工業(yè)應(yīng)用（如遠(yuǎn)程監(jiān)控、智能儀表、智能建筑、智能城市、制造自動(dòng)化、智能農(nóng)業(yè)和跟蹤）更可能使用LP-WAN網(wǎng)絡(luò)，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。

本文將討論可用的天線選項(xiàng)以及影響選型的一些因素。

天線選擇

所選擇的天線應(yīng)該無(wú)縫地融入PCB布局。除此之外，它必須在要求的范圍內(nèi)工作，無(wú)干擾運(yùn)行，并使用合理的功率水平。當(dāng)進(jìn)入測(cè)試階段時(shí)，所有天線的性能都將進(jìn)行驗(yàn)證，但明智地選擇天線和滿足其要求的設(shè)計(jì)將使設(shè)計(jì)有一個(gè)良好的開端。

乍一看，小尺寸的天線似乎是最好的，但還有更多的需要考慮。天線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)決定了它的效率、帶寬、輻射方向和增益，所以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，包括天線與其他部件的距離、天線在板上的位置、天線的接地要求以及設(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)備中已經(jīng)非常流行。本文介紹了表面貼裝天線的主要類型。

表面貼裝設(shè)備（SMD）天線

貼片天線需要一個(gè)接地層與天線用來(lái)共振，需要一定的空間。這意味著天線的覆蓋范圍必須沒(méi)有干擾輻射的其他組件，并且PCB上的所有層都應(yīng)該有類似的間隙。

此時(shí)天線空間內(nèi)，只有天線墊以及與饋線和接地的連接（圖1），剩下的都需要是空白區(qū)域。每個(gè)天線的接地層要求將在制造商的數(shù)據(jù)表中給與說(shuō)明。

圖1 用于LP-WAN的Latona芯片天線需要20.0 x 11.0 mm的間隙，這與天線的尺寸完全相同。

PCB天線

PCB天線曾經(jīng)是顯而易見(jiàn)的選擇。它們相對(duì)便宜，可以迅速大規(guī)模復(fù)制。

然而，它們所占用的空間是現(xiàn)代芯片天線的10倍。由于它們是純二維的，不能提供與平面倒F天線（PIFA）、芯片甚至貼片一樣的節(jié)省空間的功能。在實(shí)際中，它們可能很難調(diào)整，因?yàn)殡娐钒宀牧匣蛟季值奈⑿∽兓赡軙?huì)影響它們的性能，而且它們不容易針對(duì)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，可以在車輛上很好地工作，但是由于一些原因，它們的受歡迎程度有所下降。

首先，它們的指向性很強(qiáng)，必須直接指向天空才能有效運(yùn)作。小型陶瓷貼片天線可能很昂貴，但由于依賴發(fā)射和接收射頻能量的陶瓷材料，它們的性能有所不同。

較小的貼片天線往往只支持窄帶，因此在需要更寬頻率的地方，其他類型的天線更適合。

PIFA天線

PIFA已經(jīng)成為事實(shí)上的無(wú)線解決方案。它們現(xiàn)在普遍存在于手機(jī)、可穿戴設(shè)備和小型物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中，主要是因?yàn)樗鼈兛梢蕴峁└咚降男阅芎洼^小的外形尺寸，但也因?yàn)樗鼈儚V泛可用且價(jià)格低廉。它們?cè)谒姆种徊ㄩL(zhǎng)處共振，產(chǎn)生良好的SAR特性。

所有這些都使得PIFA成為工程師的最佳選擇。它們易于集成，電路匹配只涉及一個(gè)簡(jiǎn)單的匹配電路。還有一個(gè)優(yōu)勢(shì)：它們可以被放置在PCB地平面的頂部，從而允許組件被放置在天線下面。PIFA是目前最流行的天線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，因?yàn)樗捏w積小，能夠提供高水平的性能。

電小型天線

Esa（Electrically small antenna），即電小天線，比它們指定的波長(zhǎng)短得多。雖然有些天線在接地層的?或?上工作，但esa可以小到波長(zhǎng)的1/10。

世界上最早的一些天線使用了這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，最近它們的性能在增益、帶寬和場(chǎng)模式方面都有了很大的提高。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(lái)相對(duì)容易地調(diào)整其容量。

磁環(huán)天線

最后磁環(huán)天線與天線附近區(qū)域的磁場(chǎng)波耦合。他們完美地工作在超小型設(shè)備，要求高水平的性能和緊湊的外形。它們具有抗失諧性能，是可穿戴和手持設(shè)備的理想選擇，在這些設(shè)備中，PCB空間很緊湊，性能至關(guān)重要。

其他天線類型和拓?fù)?/h2>

SMD并不是嵌入式天線的唯一解決方案；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。

此外還有柔性天線和外接天線，兩者都有優(yōu)點(diǎn)，柔性天線不直接安裝在PCB上，也不需要接地平面。外部天線位于設(shè)備的外部，在各種接地平面尺寸下工作良好，并在自由空間中有效工作，從而簡(jiǎn)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)部空間不大，柔性天線（FPC）可能是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。FPC不需要放在實(shí)際的PCB上——它通過(guò)自己的集成I-PEX電纜連接到系統(tǒng)。

柔性線路板不需要接地平面，因此可以將其塞進(jìn)設(shè)備外殼中。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)榫€纜也會(huì)像天線一樣輻射干擾。

圖3 SRFC025柔性天線，位于設(shè)備的外殼內(nèi)，通過(guò)電纜和I-PEX連接器連接到板上。

終端天線

當(dāng)應(yīng)用需要關(guān)鍵任務(wù)無(wú)線性能時(shí)，終端天線可以提供獲得最高性能，特別是在存在其他射頻噪聲的環(huán)境中。這些天線要大得多，安裝在設(shè)備的外部。

它們可以在自由空間中獲得出色的性能，而無(wú)需進(jìn)行任何設(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。空間總是很貴的，所以緊湊、低剖面的天線通常是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。

請(qǐng)記住，天線應(yīng)遠(yuǎn)離其他“噪聲”源，如電池、電機(jī)和設(shè)計(jì)中的金屬部件，這可能會(huì)造成干擾并影響設(shè)備的無(wú)線性能。如果設(shè)備的外殼是用金屬制造的，那么它的外殼可能會(huì)引起問(wèn)題，所以塑料外殼往往是比較安全的選擇。

如果空間狹小，設(shè)計(jì)成在PCB的一個(gè)邊緣或一個(gè)角上工作的芯片天線是一個(gè)不錯(cuò)的選擇，可以節(jié)省電路板上的有用空間。

圖4 放置在角落中的天線，并提供了左和右選項(xiàng)，讓設(shè)計(jì)師在PCB上有更多的位置選擇。

如果天線是在角落設(shè)計(jì)的，它可能有左和右兩種選擇，為設(shè)計(jì)者在PCB上提供更多的位置選擇。

制造商的數(shù)據(jù)表將準(zhǔn)確地解釋天線應(yīng)如何定位并集成到設(shè)計(jì)中。

物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境

最后，一個(gè)好的無(wú)線設(shè)計(jì)應(yīng)該適合環(huán)境。

物聯(lián)網(wǎng)解決方案通常出現(xiàn)在商業(yè)和工業(yè)環(huán)境中。物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用于工廠自動(dòng)化、車輛和集裝箱跟蹤以及智能建筑的計(jì)量解決方案。然而，這些可能不是射頻的良好環(huán)境。當(dāng)附近有金屬物體，或電機(jī)，或其他無(wú)線設(shè)備，甚至人時(shí)，無(wú)線性能可能會(huì)受到影響。

在暗室中測(cè)試該設(shè)計(jì)是展示該設(shè)備在完美環(huán)境下的性能，但每個(gè)原型也應(yīng)在其真實(shí)的工作環(huán)境中進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試是實(shí)現(xiàn)工作設(shè)計(jì)并獲得監(jiān)管機(jī)構(gòu)批準(zhǔn)的第一步。

Geoff Schulteis是Antenova有限公司的高級(jí)天線應(yīng)用專家。
編輯：hfy