影響范圍和性能、天線選擇和放置是物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 設(shè)備制造商的關(guān)鍵設(shè)計(jì)考慮因素。本文回顧了使用最廣泛的物聯(lián)網(wǎng)天線，并討論了它們的特定應(yīng)用功能。它還重點(diǎn)介紹了最佳設(shè)計(jì)和布局策略，為每種天線類型提供了詳細(xì)的指南。

范圍和頻率要求

范圍和頻率要求在確定物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備使用的天線類型方面起著至關(guān)重要的作用。例如，可穿戴設(shè)備和智能家居設(shè)備通常利用 Wi-Fi（圖 1）或藍(lán)牙在 2.4 GHz 至 5.9 GHz 頻率范圍內(nèi)進(jìn)行短距離通信。Zigbee 在同一工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療 （ISM） 頻段運(yùn)行，以其高效的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)功能支持智能家居基礎(chǔ)設(shè)施和樓宇自動(dòng)化。

圖 1.支持 Wi-Fi 的智能家居設(shè)置突出了用于全面家庭自動(dòng)化的互連設(shè)備，包括照明、氣候、安全和能源管理，所有這些都通過(guò)中央智能手機(jī)應(yīng)用程序進(jìn)行控制。（圖片：博世)

相比之下，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) （IIoT） 應(yīng)用通常依賴于低功耗廣域網(wǎng) （LPWAN） 技術(shù)，其中包括窄帶物聯(lián)網(wǎng) （NB-IoT） 和 LoRaWAN 通信協(xié)議。NB-IoT 通過(guò)許可的 sub-1 GHz 頻段提供廣泛的覆蓋范圍，而 LoRaWAN 使用未經(jīng)許可的 sub-GHz 頻率（歐洲為 868 MHz，北美為 915 MHz）實(shí)現(xiàn)了廣泛的覆蓋范圍。

LTE Cat-M 將高帶寬和吞吐量與高效功耗相結(jié)合，可在低于 1 GHz 的許可 LTE 頻段中運(yùn)行，從而在具有挑戰(zhàn)性的室內(nèi)場(chǎng)所實(shí)現(xiàn)無(wú)縫連接。高速、低延遲的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用利用 5G 的寬頻譜，跨越 sub-6 GHz 和毫米波頻段（24 GHz 及以上），實(shí)現(xiàn)廣泛的覆蓋范圍和高容量。值得注意的是，5G 是先進(jìn)汽車系統(tǒng)、醫(yī)療保健設(shè)備以及虛擬現(xiàn)實(shí) （VR） 和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí) （AR） 應(yīng)用越來(lái)越受歡迎的選擇。

從鞭子和槳到切屑和金屬絲

選擇物聯(lián)網(wǎng)天線需要在范圍、耐用性、成本和集成復(fù)雜性之間進(jìn)行權(quán)衡。旨在滿足特定的應(yīng)用和頻率要求，一些使用最廣泛的物聯(lián)網(wǎng)天線包括：

• 鞭狀天線和槳狀天線為 IIoT 部署提供廣域連接，為 ISM、LoRa、LPWAN 應(yīng)用以及運(yùn)行在 1 GHz 以下的 LTE Cat-M 設(shè)備提供最佳性能和范圍。為了耐用性和性能，鞭狀天線和槳狀天線采用高級(jí)塑料和金屬制造，例如不銹鋼或鋁，與橡皮鴨天線相比，其設(shè)計(jì)成本更高。

• 橡皮鴨：采用螺旋設(shè)計(jì)。外部橡皮鴨天線針對(duì)便攜式物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備、手持收音機(jī)和對(duì)講機(jī)。橡皮鴨天線在耐用性、性能和成本之間取得了平衡，兼容廣泛的頻率范圍，通?？缭?100 MHz 至 2.5 GHz，包括 Zigbee 的 2.4 GHz 頻段。這些天線由柔性塑料和金屬（例如不銹鋼）制成。

• 貼片：為了實(shí)現(xiàn)最佳衛(wèi)星傳輸，適應(yīng)特定或雙極化，貼片天線是支持 GPS 的設(shè)備的熱門選擇。貼片天線在 GHz 范圍內(nèi)有效，特別是對(duì)于 1.57542 GHz（L1 頻段）的 GPS，可確保精確導(dǎo)航并具有最佳增益和輻射特性。

• PCB：這些集成天線為可穿戴設(shè)備和遠(yuǎn)程傳感器提供設(shè)計(jì)靈活性和更高的增益，可適應(yīng)寬頻譜（包括 5G），范圍從用于廣泛覆蓋的 sub-6 GHz 到用于高容量應(yīng)用的毫米波頻段（24 GHz 及以上）。PCB 天線是使用沉積在非導(dǎo)電基板（例如 FR-4 玻璃纖維）上的銅或其他導(dǎo)電金屬制造的。盡管 PCB 天線適用于各種類型的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用和通信協(xié)議，但它給系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員帶來(lái)了一些集成挑戰(zhàn)，包括信號(hào)干擾和精確放置要求。

• 芯片：芯片天線可容納小型物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，可有效支持從 Wi-Fi、藍(lán)牙和 Zigbee 到 LTE、NB-IoT、LoRa 和 5G 的各種協(xié)議和頻段。
  由于芯片天線需要高度集成，因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員必須應(yīng)對(duì)密集電路板上的空間限制。片式天線采用傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料制造，包括陶瓷和硅。

• 線：針對(duì)聯(lián)網(wǎng)汽車、智能建筑和其他流行的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，由于成熟的制造工藝和現(xiàn)成的材料（例如銅或鋁），線天線相對(duì)便宜。盡管有線天線支持多種協(xié)議、頻率和范圍，但它們帶來(lái)了各種設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，包括需要為較低頻率（需要更大的天線）提供額外的空間，以及減少或減輕密集布局中的干擾。這兩個(gè)設(shè)計(jì)考慮因素對(duì)于 LTE Cat-M 和 5G 應(yīng)用都至關(guān)重要。

通過(guò)戰(zhàn)略性設(shè)計(jì)和布局優(yōu)化范圍和性能

對(duì)于鞭狀天線、槳葉天線（圖 2）和橡皮鴨天線，接地層考慮因素（包括附近表面的電導(dǎo)率）對(duì)于最大限度地提高輻射效率至關(guān)重要。優(yōu)化這一關(guān)鍵參數(shù)直接影響信號(hào)強(qiáng)度和質(zhì)量，確保長(zhǎng)距離通信穩(wěn)定清晰。這些外部天線的導(dǎo)電平面至少為四分之一波長(zhǎng)，可有效模仿偶極子的輻射方向圖，顯著擴(kuò)大范圍，特別是在超高頻 （UHF） 頻譜的低端。戰(zhàn)略性放置，遠(yuǎn)離設(shè)備的金屬部件和邊緣，可減少干擾并進(jìn)一步最大化范圍。

圖 2.專為 2.4 GHz 至 5 GHz作而設(shè)計(jì)的槳式雙頻天線。（圖片： 錦繡微波爐)

由于尺寸與頻率成反比，有線天線具有獨(dú)特的設(shè)計(jì)考慮因素，需要仔細(xì)規(guī)劃和設(shè)計(jì)。例如，較低的頻率需要更大的天線，這可能會(huì)使小型物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的集成變得復(fù)雜。它們還需要細(xì)致的調(diào)整，重點(diǎn)是定義主要通信路徑并最大限度地減少障礙物，以確保清晰的視線連接。線狀天線還必須與金屬元件（例如外殼、連接器和設(shè)備邊緣）分開，以保持無(wú)干擾的諧振頻率。

物聯(lián)網(wǎng) GPS 設(shè)備的貼片天線需要經(jīng)過(guò)深思熟慮的極化選擇（RHCP、LHCP 或兩者兼而有之）以優(yōu)化衛(wèi)星信號(hào)接收，并通過(guò) PIN 二極管或 RF MEMS 設(shè)備實(shí)現(xiàn)雙極化，以實(shí)現(xiàn)傳輸靈活性。正確的放置至關(guān)重要，因?yàn)橘N片天線的安裝必須與天空有清晰的視線，以最大限度地減少障礙物并提高信號(hào)清晰度，從而確保暢通無(wú)阻的視野 （FOV）。盡管平坦的輪廓簡(jiǎn)化了設(shè)備表面的集成，但貼片天線必須遠(yuǎn)離金屬組件，以避免干擾和信號(hào)衰減。

對(duì)于緊湊型物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，在 PCB 天線和芯片天線之間進(jìn)行選擇（圖 3）取決于尺寸限制和性能要求。例如，PCB 天線由于其更大的尺寸和復(fù)雜的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（例如，倒 F、L 和折疊單極設(shè)計(jì)）而能夠獲得更高的增益，但可能占用更多的電路板空間。

圖 3.TDK 2.4 GHz 和 5.5 GHz 芯片射頻天線專為表面貼裝焊接而設(shè)計(jì)，支持 2.4 GHz 至 2.48 GHz 和 5.15 GHz 至 5.85 GHz 的寬頻率范圍。（圖片來(lái)源：DigiKey)

相反，片式天線提供了一種更緊湊的解決方案，增益更低，非常適合空間受限的應(yīng)用，例如可穿戴設(shè)備。最后，正確的放置對(duì)于 PCB 和芯片天線都至關(guān)重要。具體來(lái)說(shuō)，最小的障礙物和戰(zhàn)略邊緣定位提高了 PCB 天線的性能，而芯片天線的精確集成可防止組件干擾并保持暢通無(wú)阻的信號(hào)路徑。

對(duì)于 5G 專用物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，高增益芯片、電線和 PCB 天線可以用作相控陣。這種配置可實(shí)現(xiàn)高效的空間復(fù)用和信號(hào)管理，通過(guò)廣泛實(shí)施多輸入多輸出 （MIMO） 技術(shù)實(shí)現(xiàn)更高的小區(qū)密度。此外，自適應(yīng)波束切換可動(dòng)態(tài)優(yōu)化天線信號(hào)路徑，減少潛在干擾并增強(qiáng)信號(hào)接收。

總結(jié)

物聯(lián)網(wǎng)天線的選擇會(huì)影響關(guān)鍵的作參數(shù)，包括范圍和性能。因此，設(shè)備制造商必須謹(jǐn)慎地在范圍、耐用性、成本和集成復(fù)雜性之間進(jìn)行權(quán)衡。物聯(lián)網(wǎng)天線類型旨在滿足特定應(yīng)用的要求，包括鞭狀天線、槳形天線、橡皮鴨天線、貼片天線、PCB、芯片天線和電線。戰(zhàn)略性天線放置可最大限度地減少干擾并增強(qiáng)信號(hào)強(qiáng)度，確保物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備與其網(wǎng)絡(luò)之間清晰可靠的通信。