淺談物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的天線種類

以下文章來(lái)源于E人E書 ，作者iRF小木匠

物聯(lián)網(wǎng)，英文全稱為internet of things，簡(jiǎn)稱IoT，也是一個(gè)流行了好久的名詞了。類似于互聯(lián)網(wǎng)，把人與人之間鏈接起來(lái)了，而物聯(lián)網(wǎng)就是把物與物也鏈接起來(lái)。無(wú)論是互聯(lián)網(wǎng)還是物聯(lián)網(wǎng)，都是為了萬(wàn)物互聯(lián)的這一終極目標(biāo)。

其實(shí)我們身邊的很多電子設(shè)備都實(shí)現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)的功能，大到一個(gè)汽車，尤其是現(xiàn)在的電動(dòng)汽車，物聯(lián)網(wǎng)就是其智能化的一個(gè)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)；小到家里的電視盒子，智能燈泡，小朋友的玩具，都可以接入了網(wǎng)絡(luò)這個(gè)大家庭中。

物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)是無(wú)線技術(shù)，而天線作為無(wú)線通信的眼睛，更是物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中必不可少的關(guān)鍵器件。哪怕是小小的電子標(biāo)簽，上面都會(huì)有一個(gè)天線。

如何選擇一個(gè)合適的天線，是一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。通過(guò)這篇文章我們一起來(lái)總結(jié)一下目前用于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備上的那些天線吧。

No.1

物聯(lián)網(wǎng)常用的通信方式和頻率

物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的覆蓋范圍和工作頻率，是選擇天線的關(guān)鍵。比如一些家用電器，通常需要覆蓋家里的小范圍就可以；而智能汽車，我們則希望在一個(gè)相對(duì)遠(yuǎn)一些的范圍內(nèi)就能控制。

目前物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備常用的聯(lián)網(wǎng)方式包括RFID/NFC，藍(lán)牙、WiFi、ZigBee、LoRa、NB-IoT等等。

1，RFID/NFC

NFC本質(zhì)上是一種非接觸式射頻識(shí)別RFID技術(shù)，，它通過(guò)射頻信號(hào)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，識(shí)別工作無(wú)須人工干預(yù)。

NFC的運(yùn)行頻率是13.56MHz，讀取距離僅為幾厘米，主要用于近距離通信，比如刷卡，掃碼等等。

2，藍(lán)牙 Bluetooth

藍(lán)牙是一種常用的短距離無(wú)線通信技術(shù)，我們常用的藍(lán)牙耳機(jī)，藍(lán)牙音箱等電子設(shè)備就是用這種無(wú)線技術(shù)連接的。一般藍(lán)牙的工作距離只有10米，雖然現(xiàn)在最新的藍(lán)牙5.0標(biāo)準(zhǔn)可以用于100米的通信。

藍(lán)牙最大特色在于能讓輕易攜帶的移動(dòng)通訊設(shè)備和電腦，在不借助電纜的情況下聯(lián)網(wǎng)，并傳輸資料和訊息。目前普遍被應(yīng)用在智能手機(jī)和智慧穿戴設(shè)備的聯(lián)接以及智慧家庭、車用物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域中。

我們?cè)凇兑晃膸阏J(rèn)識(shí)藍(lán)牙的前生今世！》詳細(xì)向大家介紹了藍(lán)牙這種技術(shù)的發(fā)展和歷史。有興趣的可以點(diǎn)擊上文鏈接查閱。

3，Wifi

這個(gè)大家就更熟悉不過(guò)了，現(xiàn)在幾乎人人家里都有一個(gè)WiFi，Wifi 最常用的就是作為有線互聯(lián)網(wǎng)和無(wú)線局域網(wǎng)的一個(gè)接口，這個(gè)接口就是我們家里的無(wú)線路由器。

Wifi是基于IEEE802.11 協(xié)議進(jìn)行無(wú)線通信的，從最早的802.11a,b,g,n,ac,ax,be 已經(jīng)發(fā)展了7代。

2.4GHz 頻段支持以下標(biāo)準(zhǔn)（802.11b/g/n/ax），5GHz 頻段支持以下標(biāo)準(zhǔn)（802.11a/n/ac/ax），由此可見，802.11n/ax 同時(shí)工作在 2.4GHz 和 5GHz 頻段，所以這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)是兼容雙頻工作。

Wifi作為和有線互聯(lián)網(wǎng)的接口，可進(jìn)行中等距離的快速無(wú)線傳輸，廣泛應(yīng)用于各種移動(dòng)設(shè)備中。

4，Zigbee

ZigBee國(guó)內(nèi)也叫紫蜂技術(shù)，是一種低速短距離傳輸?shù)臒o(wú)線網(wǎng)上協(xié)議，底層是采用IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的媒體訪問(wèn)層與物理層。主要特色有低速、低耗電、低成本、支持大量網(wǎng)上節(jié)點(diǎn)、支持多種網(wǎng)上拓?fù)洹⒌蛷?fù)雜度、快速、可靠、安全。

ZigBee 傳輸范圍一般介于 10～100m 之間，在增加發(fā)射功率后，亦可增加到 1～3km。這指的是相鄰節(jié)點(diǎn)間的距離。如果通過(guò)路由和節(jié)點(diǎn)間通信的接力，傳輸距離將可以更遠(yuǎn)。

Zigbee技術(shù)的工作頻段主要分為三個(gè)：2.4GHz、915MHz和868MHz。其中，2.4GHz是全球范圍內(nèi)使用最廣泛的頻段;915MHz和868MHz則是美國(guó)和歐洲等地區(qū)使用的頻段。

Zigbee 廣泛應(yīng)用各種智能家居設(shè)備中。

5，LoRa

LoRa全稱Long Range Radio，是基于Semtech公司開發(fā)的一種低功耗局域網(wǎng)無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)，其目的是為了解決功耗與傳輸難覆蓋距離的矛盾問(wèn)題。一般情況下，低功耗則傳輸距離近，高功耗則傳輸距離遠(yuǎn)，LoRa技術(shù)解決了在同樣的功耗條件下比其他無(wú)線方式傳播的距離更遠(yuǎn)的技術(shù)難題，實(shí)現(xiàn)了低功耗和遠(yuǎn)距離兩種兼顧的效果。

LoRa是一種基于 chirp spread spectrum (CSS) 擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)的無(wú)線通信方案，由美國(guó)Semtech公司開發(fā)。其工作原理在于通過(guò)線性頻率調(diào)制（LFM）產(chǎn)生“啁啾”信號(hào)，每個(gè)數(shù)據(jù)包的載波頻率隨著時(shí)間線性變化。這種調(diào)制方式允許信號(hào)在強(qiáng)干擾環(huán)境下保持良好的穿透力與抗多徑衰落能力，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸。

LoRa（Long Range）技術(shù)憑借其獨(dú)特的擴(kuò)頻調(diào)制機(jī)制和超遠(yuǎn)傳輸距離，在智能城市、農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)、工業(yè)自動(dòng)化等領(lǐng)域取得了顯著的應(yīng)用成果。本文將系統(tǒng)性地介紹LoRa技術(shù)的基本原理、核心特點(diǎn)、存在的缺點(diǎn)以及廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景。

6，NB-IoT

NB-IoT 全稱就是Narrow Band Internet of Things，窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，NB-IoT構(gòu)建于蜂窩網(wǎng)絡(luò)，只消耗大約180kHz的帶寬，可直接部署于GSM網(wǎng)絡(luò)、UMTS網(wǎng)絡(luò)或LTE網(wǎng)絡(luò)，以降低部署成本、實(shí)現(xiàn)平滑升級(jí)。

NB-IoT聚焦于低功耗廣覆蓋（LPWA）物聯(lián)網(wǎng)（IoT）市場(chǎng)，是一種可在全球范圍內(nèi)廣泛應(yīng)用的新興技術(shù)。具有覆蓋廣、連接多、速率快、成本低、功耗低、架構(gòu)優(yōu)等特點(diǎn)。NB-IoT使用License頻段，可采取帶內(nèi)、保護(hù)帶或獨(dú)立載波等三種部署方式，與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)共存。

NB-IoT設(shè)備應(yīng)用了5G移動(dòng)通信的頻譜，包括sub6G和毫米波頻譜，具體查看鏈接：強(qiáng)烈建議收藏——最全無(wú)線通信頻率表

NB-IoT技術(shù)通常應(yīng)用于智慧城市，共享單車等設(shè)備中。

在設(shè)計(jì)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備時(shí)，可以根據(jù)其工作特點(diǎn)和應(yīng)用場(chǎng)景選擇合適的無(wú)線通信技術(shù)，以確保設(shè)備的正常高效的工作。

No.2

物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的天線種類

在選擇天線類型時(shí)，一般根據(jù)設(shè)備的工作頻率，覆蓋范圍，成本，體積，等因素來(lái)選擇合適的天線。

常用于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的天線類型包括:

1, 鞭狀天線

鞭形天線是一種可彎曲的垂直桿狀天線，其長(zhǎng)度與頻率相關(guān)，一般為1/4或1/2波長(zhǎng)。早期的鞭狀天線工作頻率比較低，尺寸也比較大，現(xiàn)在隨著工作頻率的升高，其尺寸也在不斷縮小。如下圖所示

鞭狀天線是一種全向天線，其輻射方向圖如下圖所示：

鞭狀天線的尺寸比較大，但是其輻射效果也最好，比如早期的手機(jī)天線，對(duì)講機(jī)，大哥大，前幾年的汽車天線以及有一些wifi路由器，都有應(yīng)用鞭狀天線。

2，貼片天線

貼片天線，也就是微帶天線，一般由介質(zhì)基板、輻射體及接地板構(gòu)成。介質(zhì)基板的厚度遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)，基板底部的金屬薄層與接地板相接，正面則通過(guò)光刻工藝制作具有特定形狀的金屬薄層作為輻射體。輻射片的形狀根據(jù)要求可進(jìn)行多種變化。

微帶天線的種類比較多，設(shè)計(jì)也多樣化，主要可分為，微帶貼片天線，微帶縫隙天線，微帶形波天線等。也可以實(shí)現(xiàn)多種極化方式，微帶圓極化天線是衛(wèi)星通信比較常用的一種天線。

微帶貼片天線的方向圖也比較漂亮，如下圖所示，由于地的存在，微帶天線可以實(shí)現(xiàn)比較好的前后比。

3，PCB天線

PCB天線，就是利用PCB上的走線來(lái)實(shí)現(xiàn)天線的設(shè)計(jì)，可以將其畫成直線走線，反轉(zhuǎn)的F形走線，蛇形或圓形走線等，長(zhǎng)度為四分之一波長(zhǎng)就基本可以形成天線，將電信號(hào)輻射出去或接收信號(hào)。

比如在《這個(gè)無(wú)線鼠標(biāo)，竟然把電路板露出來(lái)了，竟然還有天線！》，我們就看到了這個(gè)用曲折線做成的PCB天線。

PCB天線的設(shè)計(jì)比較靈活，集成度高，成本低，也是目前在IoT設(shè)備上應(yīng)用比較廣泛的一種天線。

不同類型的PCB天線，其輻射方向圖各不相同，下面是倒F天線的仿真方向圖。

4，芯片天線

隨著AiP技術(shù)的發(fā)展，天線的集成度也越來(lái)越高，甚至可以直接集成在一個(gè)電路上甚至芯片上。下圖就是AiP技術(shù)的圖示

芯片天線主要應(yīng)用于毫米波甚至亞毫米波波段，其天線尺寸比較小，利于芯片的封裝和集成。

總結(jié)

天線的種類很多，對(duì)于很多外置天線，我們可以拿來(lái)直接用，但是對(duì)于集成到設(shè)備上的天線，則需要根據(jù)設(shè)備的結(jié)構(gòu)，天線的尺寸，結(jié)構(gòu)，通過(guò)電磁仿真軟件進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，以滿足無(wú)線設(shè)備的需求。