射频原理

物联网应用程序在很大程度上依赖于无线连接来与生态系统中的物联网网关和其他设备进行通信，尤其是那些几乎不可能有线连接的应用程序。这种连接是由一系列支持各种类型网络的天线实现的。

在过去十年中，物联网平台发生了巨大的变化，尺寸不断缩小，并融入了先进的无线技术。这些发展对天线技术和物联网天线设计的发展产生了巨大影响，带来了高效和高性能的超紧凑天线。在高性能、小尺寸物联网设计中嵌入多个天线已成为标准要求，这给物联网产品开发人员带来了重大挑战。

IoT 应用中使用的一些流行无线技术是 Wi-Fi、蓝牙、WLAN 和 ZigBee，它们在 2.4GHz 至 5GHz 的频段内运行。这些无线标准能够处理短距离内的高数据速率。LoRa（在 169 MHz 至 915MHz 的射频频段内运行）和 SigFox（在 868MHz 至 928MHz 的射频频段内运行）等无线标准用于需要相对较长距离和低得多的数据速率的应用。LPWAN 的出现，如提供低带宽数据连接的 NB-IoT 和 LTE Cat-M、更高带宽、高吞吐量、低延迟和电池使用，也通过提供具有成本效益的解决方案对物联网设计产生巨大影响。5G 是第五代无线技术，预计将进一步彻底改变物联网及相关技术的发展。

物联网天线技术

本节简要介绍物联网设备中常用的各种类型的天线。

贴片天线

芯片天线结构紧凑，带宽相对较低。它们在大地平面上表现更好，这可能会增加集成高元件密度电路板的挑战。芯片天线的范围有限，因此非常适合使用低频段的小型物联网设备，例如计算机、卫星无线电、GPS 设备等。

有线天线

与 Chip 和 Whip 等其他物联网天线相比，有线天线更经济。线天线的尺寸与其频率成反比，即天线的尺寸随着频率的降低而增大，这可能会给设计带来挑战。线天线要么通过接地平面固定到 PCB，要么通过提供良好射频性能的同轴电缆连接。这些天线有各种模式和形状，例如偶极子、环形和螺旋，通常用于联网汽车、智能建筑解决方案等。

鞭状天线

鞭状天线是性能最好的物联网天线之一，也可能是常用天线中最昂贵的。它们通常位于设备外壳外部，通过同轴连接器与 PCB 建立物理连接。鞭状天线是一种常见的单极天线，非常适合基于 ISM、LoRa、LPWAN 的应用中的无线连接。鞭状天线非常适合使用多个收发器的设计，例如手持无线电、路由器、网关对讲机、支持 Wi-Fi 的设备、车辆等。

PCB 上的天线

顾名思义，PCB 天线 (AoPCB) 是使用现代制造技术将天线或天线图案嵌入 PCB 上——通常是电路板上的铜走线。PCB 天线具有成本效益，并且在设计中提供了极大的灵活性，因为开发人员可以在初级水平上整合天线设计。PCB 上的天线的一个缺点是它占用了电路板上的空间，这可能会给具有大量传感器和组件的超紧凑或复杂设计带来重大挑战。这些天线非常适合 USB 加密狗、汽车和机器人应用。

 影响物联网应用天线选择的因素

有几个因素会影响物联网设计天线的选择——频段、尺寸、范围、精度、部署区域等。通常，物联网天线的频段属于未经许可的 ISM 频段（工业、科学、医疗） . 每个天线都针对特定频段设计，牢记特定应用。例如，Wi-Fi 或蓝牙可能是便携式设备、可穿戴设备、游戏设备、网络摄像机等的不错选择，而智能城市、工业 4.0 和智能农业等工业应用则需要使用 LPWAN、LoRa、SigFox 或窄带物联网。

所选天线应符合产品包装的美学要求。完美定位的小尺寸天线更有可能提供最佳性能。但是，它必须以尽可能低的功耗提供预期的覆盖范围。有时，重要的不仅是天线的尺寸，还有天线拓扑结构。天线拓扑会影响天线的带宽、辐射方向图、增益和整体效率。

读者可能会想到的一个问题是，应该考虑使用标准的现成天线还是定制设计的天线！满足产品性能要求的现成天线当然是一种具有成本效益的解决方案，但是，设计人员在将这种天线封装在极其紧凑的设计中时可能会面临挑战。设计的刚性可能进一步影响天线性能。在这种情况下，定制设计的天线是确保卓越性能的理想选择。

选择物联网天线时要考虑的另一个重要因素是全球各个地区的监管标准。除了 SAR 要求之外，开发人员还应检查无线电设备指令 (RED)、电磁合规性、FCC A 类和 B 类规则等标准。

简而言之，选择天线时要考虑的关键参数是，

• 天线类型

• 工作频段

• 覆盖范围/范围和 FoV

• 辐射模式

• 天线增益

• 天线的形状和尺寸

• 成本

物联网设备中天线放置的几个设计要点

选择合适的天线在物联网设计中至关重要，但是，单凭这一点并不能提供实现高 RF 性能的解决方案。这里有必要说明一下，天线性能是决定设备续航的关键因素。其他电子元件的接近程度、地平面的使用、信号干扰、封装材料和与人体的接近程度等因素（在可穿戴天线的博客中了解更多关于人体对天线的影响）极大地影响天线性能. 因此，开发人员在设计过程中必须高度重视这些因素。

以下是无线物联网设计中天线放置的一些设计要点，

将天线放置在 PCB 的一角，以确保 PCB 上的天线有足够的遮挡区域

使用具有理想宽度和离地间隙的接地平面以实现最大天线效率

包装时避免将天线放置在塑料（Plastic ID）附近。与空气相比，塑料的介电常数较高，可能会影响天线的谐振频率

天线不得被金属外壳覆盖

天线方向应与最终产品的方向相匹配，以确保在所需方向上的最大辐射。

结论

超紧凑、高增益、超高效的天线正在彻底改变无线物联网设备的设计和开发方式。尽管如此，物联网天线设计或选择正确的天线类型仍然是主要的设计挑战之一。出色的天线可确保卓越的性能、大范围和低功耗。尽管在适合 IoT 应用的频率下可以使用范围广泛的现成天线，但开发人员可能必须考虑定制天线设计以实现最佳尺寸和性能参数。设计人员还应了解其他组件在设计、工业设计 (ID)、ID 材料、天线调谐、定位和 EMI/EMC 法规等方面的影响。