如何在物联网设备中选择和放置天线

影响范围和性能、天线选择和放置是物联网 （IoT） 设备制造商的关键设计考虑因素。本文回顾了使用最广泛的物联网天线，并讨论了它们的特定应用功能。它还重点介绍了最佳设计和布局策略，为每种天线类型提供了详细的指南。

范围和频率要求

范围和频率要求在确定物联网设备使用的天线类型方面起着至关重要的作用。例如，可穿戴设备和智能家居设备通常利用 Wi-Fi（图 1）或蓝牙在 2.4 GHz 至 5.9 GHz 频率范围内进行短距离通信。Zigbee 在同一工业、科学和医疗 （ISM） 频段运行，以其高效的网状网络功能支持智能家居基础设施和楼宇自动化。

图 1.支持 Wi-Fi 的智能家居设置突出了用于全面家庭自动化的互连设备，包括照明、气候、安全和能源管理，所有这些都通过中央智能手机应用程序进行控制。（图片：博世)

相比之下，工业物联网 （IIoT） 应用通常依赖于低功耗广域网 （LPWAN） 技术，其中包括窄带物联网 （NB-IoT） 和 LoRaWAN 通信协议。NB-IoT 通过许可的 sub-1 GHz 频段提供广泛的覆盖范围，而 LoRaWAN 使用未经许可的 sub-GHz 频率（欧洲为 868 MHz，北美为 915 MHz）实现了广泛的覆盖范围。

LTE Cat-M 将高带宽和吞吐量与高效功耗相结合，可在低于 1 GHz 的许可 LTE 频段中运行，从而在具有挑战性的室内场所实现无缝连接。高速、低延迟的物联网应用利用 5G 的宽频谱，跨越 sub-6 GHz 和毫米波频段（24 GHz 及以上），实现广泛的覆盖范围和高容量。值得注意的是，5G 是先进汽车系统、医疗保健设备以及虚拟现实 （VR） 和增强现实 （AR） 应用越来越受欢迎的选择。

从鞭子和桨到切屑和金属丝

选择物联网天线需要在范围、耐用性、成本和集成复杂性之间进行权衡。旨在满足特定的应用和频率要求，一些使用最广泛的物联网天线包括：

• 鞭状天线和桨状天线为 IIoT 部署提供广域连接，为 ISM、LoRa、LPWAN 应用以及运行在 1 GHz 以下的 LTE Cat-M 设备提供最佳性能和范围。为了耐用性和性能，鞭状天线和桨状天线采用高级塑料和金属制造，例如不锈钢或铝，与橡皮鸭天线相比，其设计成本更高。

• 橡皮鸭：采用螺旋设计。外部橡皮鸭天线针对便携式物联网设备、手持收音机和对讲机。橡皮鸭天线在耐用性、性能和成本之间取得了平衡，兼容广泛的频率范围，通常跨越 100 MHz 至 2.5 GHz，包括 Zigbee 的 2.4 GHz 频段。这些天线由柔性塑料和金属（例如不锈钢）制成。

• 贴片：为了实现最佳卫星传输，适应特定或双极化，贴片天线是支持 GPS 的设备的热门选择。贴片天线在 GHz 范围内有效，特别是对于 1.57542 GHz（L1 频段）的 GPS，可确保精确导航并具有最佳增益和辐射特性。

• PCB：这些集成天线为可穿戴设备和远程传感器提供设计灵活性和更高的增益，可适应宽频谱（包括 5G），范围从用于广泛覆盖的 sub-6 GHz 到用于高容量应用的毫米波频段（24 GHz 及以上）。PCB 天线是使用沉积在非导电基板（例如 FR-4 玻璃纤维）上的铜或其他导电金属制造的。尽管 PCB 天线适用于各种类型的物联网应用和通信协议，但它给系统设计人员带来了一些集成挑战，包括信号干扰和精确放置要求。

• 芯片：芯片天线可容纳小型物联网设备，可有效支持从 Wi-Fi、蓝牙和 Zigbee 到 LTE、NB-IoT、LoRa 和 5G 的各种协议和频段。
  由于芯片天线需要高度集成，因此系统设计人员必须应对密集电路板上的空间限制。片式天线采用传统半导体材料制造，包括陶瓷和硅。

• 线：针对联网汽车、智能建筑和其他流行的物联网应用，由于成熟的制造工艺和现成的材料（例如铜或铝），线天线相对便宜。尽管有线天线支持多种协议、频率和范围，但它们带来了各种设计挑战，包括需要为较低频率（需要更大的天线）提供额外的空间，以及减少或减轻密集布局中的干扰。这两个设计考虑因素对于 LTE Cat-M 和 5G 应用都至关重要。

通过战略性设计和布局优化范围和性能

对于鞭状天线、桨叶天线（图 2）和橡皮鸭天线，接地层考虑因素（包括附近表面的电导率）对于最大限度地提高辐射效率至关重要。优化这一关键参数直接影响信号强度和质量，确保长距离通信稳定清晰。这些外部天线的导电平面至少为四分之一波长，可有效模仿偶极子的辐射方向图，显着扩大范围，特别是在超高频 （UHF） 频谱的低端。战略性放置，远离设备的金属部件和边缘，可减少干扰并进一步最大化范围。

图 2.专为 2.4 GHz 至 5 GHz作而设计的桨式双频天线。（图片： 锦绣微波炉)

由于尺寸与频率成反比，有线天线具有独特的设计考虑因素，需要仔细规划和设计。例如，较低的频率需要更大的天线，这可能会使小型物联网设备的集成变得复杂。它们还需要细致的调整，重点是定义主要通信路径并最大限度地减少障碍物，以确保清晰的视线连接。线状天线还必须与金属元件（例如外壳、连接器和设备边缘）分开，以保持无干扰的谐振频率。

物联网 GPS 设备的贴片天线需要经过深思熟虑的极化选择（RHCP、LHCP 或两者兼而有之）以优化卫星信号接收，并通过 PIN 二极管或 RF MEMS 设备实现双极化，以实现传输灵活性。正确的放置至关重要，因为贴片天线的安装必须与天空有清晰的视线，以最大限度地减少障碍物并提高信号清晰度，从而确保畅通无阻的视野 （FOV）。尽管平坦的轮廓简化了设备表面的集成，但贴片天线必须远离金属组件，以避免干扰和信号衰减。

对于紧凑型物联网设备，在 PCB 天线和芯片天线之间进行选择（图 3）取决于尺寸限制和性能要求。例如，PCB 天线由于其更大的尺寸和复杂的拓扑结构（例如，倒 F、L 和折叠单极设计）而能够获得更高的增益，但可能占用更多的电路板空间。

图 3.TDK 2.4 GHz 和 5.5 GHz 芯片射频天线专为表面贴装焊接而设计，支持 2.4 GHz 至 2.48 GHz 和 5.15 GHz 至 5.85 GHz 的宽频率范围。（图片来源：DigiKey)

相反，片式天线提供了一种更紧凑的解决方案，增益更低，非常适合空间受限的应用，例如可穿戴设备。最后，正确的放置对于 PCB 和芯片天线都至关重要。具体来说，最小的障碍物和战略边缘定位提高了 PCB 天线的性能，而芯片天线的精确集成可防止组件干扰并保持畅通无阻的信号路径。

对于 5G 专用物联网设备，高增益芯片、电线和 PCB 天线可以用作相控阵。这种配置可实现高效的空间复用和信号管理，通过广泛实施多输入多输出 （MIMO） 技术实现更高的小区密度。此外，自适应波束切换可动态优化天线信号路径，减少潜在干扰并增强信号接收。

总结

物联网天线的选择会影响关键的作参数，包括范围和性能。因此，设备制造商必须谨慎地在范围、耐用性、成本和集成复杂性之间进行权衡。物联网天线类型旨在满足特定应用的要求，包括鞭状天线、桨形天线、橡皮鸭天线、贴片天线、PCB、芯片天线和电线。战略性天线放置可最大限度地减少干扰并增强信号强度，确保物联网设备与其网络之间清晰可靠的通信。