可用的物联网嵌入式天线选项及影响因素分析

本文编译自Embedded-Computing

物联网项目依赖于无线连接，而无线连接信号的好坏，则依赖于芯片本身以及天线。

Wi-Fi是便携式设备或IP摄像头的首选，而工业应用（如远程监控、智能仪表、智能建筑、智能城市、制造自动化、智能农业和跟踪）更可能使用LP-WAN网络，如NB-IoT、LoRa、SigFox、ISM 791-960MHz或蜂窝网络。每种类型的网络都有各种各样的嵌入式天线。

本文将讨论可用的天线选项以及影响选型的一些因素。

天线选择

所选择的天线应该无缝地融入PCB布局。除此之外，它必须在要求的范围内工作，无干扰运行，并使用合理的功率水平。当进入测试阶段时，所有天线的性能都将进行验证，但明智地选择天线和满足其要求的设计将使设计有一个良好的开端。

乍一看，小尺寸的天线似乎是最好的，但还有更多的需要考虑。天线的拓扑结构决定了它的效率、带宽、辐射方向和增益，所以最小的天线可能不是最佳选择。

还有很多设计因素需要考虑，包括天线与其他部件的距离、天线在板上的位置、天线的接地要求以及设备使用环境中的干扰水平。

芯片或表面贴装设计（SMD）天线在小型设备中已经非常流行。本文介绍了表面贴装天线的主要类型。

表面贴装设备（SMD）天线

贴片天线需要一个接地层与天线用来共振，需要一定的空间。这意味着天线的覆盖范围必须没有干扰辐射的其他组件，并且PCB上的所有层都应该有类似的间隙。

此时天线空间内，只有天线垫以及与馈线和接地的连接（图1），剩下的都需要是空白区域。每个天线的接地层要求将在制造商的数据表中给与说明。

图1 用于LP-WAN的Latona芯片天线需要20.0 x 11.0 mm的间隙，这与天线的尺寸完全相同。

PCB天线

PCB天线曾经是显而易见的选择。它们相对便宜，可以迅速大规模复制。

然而，它们所占用的空间是现代芯片天线的10倍。由于它们是纯二维的，不能提供与平面倒F天线（PIFA）、芯片甚至贴片一样的节省空间的功能。在实际中，它们可能很难调整，因为电路板材料或元件布局的微小变化可能会影响它们的性能，而且它们不容易针对设备进行优化。

陶瓷贴片天线

陶瓷贴片天线在定位应用中很受欢迎，可以在车辆上很好地工作，但是由于一些原因，它们的受欢迎程度有所下降。

首先，它们的指向性很强，必须直接指向天空才能有效运作。小型陶瓷贴片天线可能很昂贵，但由于依赖发射和接收射频能量的陶瓷材料，它们的性能有所不同。

较小的贴片天线往往只支持窄带，因此在需要更宽频率的地方，其他类型的天线更适合。

PIFA天线

PIFA已经成为事实上的无线解决方案。它们现在普遍存在于手机、可穿戴设备和小型物联网设备中，主要是因为它们可以提供高水平的性能和较小的外形尺寸，但也因为它们广泛可用且价格低廉。它们在四分之一波长处共振，产生良好的SAR特性。

所有这些都使得PIFA成为工程师的最佳选择。它们易于集成，电路匹配只涉及一个简单的匹配电路。还有一个优势：它们可以被放置在PCB地平面的顶部，从而允许组件被放置在天线下面。PIFA是目前最流行的天线拓扑结构，因为它的体积小，能够提供高水平的性能。

电小型天线

Esa（Electrically small antenna），即电小天线，比它们指定的波长短得多。虽然有些天线在接地层的¼或½上工作，但esa可以小到波长的1/10。

世界上最早的一些天线使用了这种拓扑结构，最近它们的性能在增益、带宽和场模式方面都有了很大的提高。这些天线可能很小，可能小于20毫米。它们相对不受接近和失谐的影响，并且可以使用一种称为波束控制的技术来相对容易地调整其容量。

磁环天线

最后磁环天线与天线附近区域的磁场波耦合。他们完美地工作在超小型设备，要求高水平的性能和紧凑的外形。它们具有抗失谐性能，是可穿戴和手持设备的理想选择，在这些设备中，PCB空间很紧凑，性能至关重要。

其他天线类型和拓扑

SMD并不是嵌入式天线的唯一解决方案；还有其他天线拓扑可能对某些物联网和嵌入式设计有用。

此外还有柔性天线和外接天线，两者都有优点，柔性天线不直接安装在PCB上，也不需要接地平面。外部天线位于设备的外部，在各种接地平面尺寸下工作良好，并在自由空间中有效工作，从而简化了天线集成。

图2 SMD、FPC和终端天线

柔性天线

如果设备内部空间不大，柔性天线（FPC）可能是一个不错的选择。FPC不需要放在实际的PCB上——它通过自己的集成I-PEX电缆连接到系统。

柔性线路板不需要接地平面，因此可以将其塞进设备外壳中。这有助于节省PCB上的空间，但FPC天线的集成需要小心，因为线缆也会像天线一样辐射干扰。

图3 SRFC025柔性天线，位于设备的外壳内，通过电缆和I-PEX连接器连接到板上。

终端天线

当应用需要关键任务无线性能时，终端天线可以提供获得最高性能，特别是在存在其他射频噪声的环境中。这些天线要大得多，安装在设备的外部。

它们可以在自由空间中获得出色的性能，而无需进行任何设备内调整或匹配。

电路板尺寸和布局：节省空间

PCB设计的尺寸和布局可能会决定您对天线的选择。空间总是很贵的，所以紧凑、低剖面的天线通常是一个不错的选择。

请记住，天线应远离其他“噪声”源，如电池、电机和设计中的金属部件，这可能会造成干扰并影响设备的无线性能。如果设备的外壳是用金属制造的，那么它的外壳可能会引起问题，所以塑料外壳往往是比较安全的选择。

如果空间狭小，设计成在PCB的一个边缘或一个角上工作的芯片天线是一个不错的选择，可以节省电路板上的有用空间。

图4 放置在角落中的天线，并提供了左和右选项，让设计师在PCB上有更多的位置选择。

如果天线是在角落设计的，它可能有左和右两种选择，为设计者在PCB上提供更多的位置选择。

制造商的数据表将准确地解释天线应如何定位并集成到设计中。

物联网环境

最后，一个好的无线设计应该适合环境。

物联网解决方案通常出现在商业和工业环境中。物联网应用于工厂自动化、车辆和集装箱跟踪以及智能建筑的计量解决方案。然而，这些可能不是射频的良好环境。当附近有金属物体，或电机，或其他无线设备，甚至人时，无线性能可能会受到影响。

在暗室中测试该设计是展示该设备在完美环境下的性能，但每个原型也应在其真实的工作环境中进行测试。测试是实现工作设计并获得监管机构批准的第一步。

Geoff Schulteis是Antenova有限公司的高级天线应用专家。
编辑：hfy