作者： Steven Keeping

在設(shè)計(jì)無(wú)線物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 產(chǎn)品時(shí)，你需要了解天線及其作為產(chǎn)品與外部世界之間唯一接口的作用。如果天線選擇不當(dāng)，最終產(chǎn)品雖然可以通信，但性能會(huì)大打折扣，致使用戶可能會(huì)放棄，轉(zhuǎn)而使用其他產(chǎn)品。

許多設(shè)計(jì)人員面臨的問(wèn)題是，天線解決方案似乎多得讓人眼花繚亂，選擇過(guò)程令人望而生畏。那么，如何為你的設(shè)計(jì)縮小最佳天線的選擇范圍呢？

有些決定是比較容易做出的。首先，找到針對(duì)你設(shè)計(jì)的工作頻段進(jìn)行了優(yōu)化的天線。例如，如果產(chǎn)品使用 LoRa 連接并面向美國(guó)市場(chǎng)，則天線進(jìn)行優(yōu)化后可在 902 MHz 至 928 MHz 頻段內(nèi)工作。如果設(shè)備支持雙頻 Wi-Fi，則應(yīng)天線進(jìn)行優(yōu)化后，可在 2.4 GHz 和 5 GHz 射頻頻段內(nèi)工作。

其次，考慮最終產(chǎn)品的外形尺寸。例如，如果需要支持低功耗藍(lán)牙 (LE) 的傳感器具有高度緊湊的外形，那么 Amphenol 的 [ST0147-00-011-A] 就是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。這是一款 2.4 GHz 表面貼裝片式天線。該天線的尺寸僅為 3.05 x 1.6 x 0.55 mm，可直接安裝在設(shè)備電路板上。例如，Wi-Fi 接入點(diǎn) (AP) 就是一個(gè)外形較大設(shè)備的例子。這種接入點(diǎn)既能為天線提供足夠的空間，又能滿足良好的覆蓋范圍和高吞吐量的要求。Amphenol 的 [ST0226-30-002-A] 外置鞭形天線（圖 1）就是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。

圖 1：ST0226-30-002-A 外置鞭形天線適合雙頻 Wi-Fi 接入點(diǎn)等應(yīng)用。（圖片來(lái)源： Amphenol）

了解工作頻段和外形尺寸后，事情就變得復(fù)雜了。要選擇符合功耗、可靠性、覆蓋范圍和吞吐量規(guī)格的天線，需要合理地理解數(shù)據(jù)表。

一探究竟

以 Amphenol 的 [ST0224-10-401-A] 的為例，這是一份典型的數(shù)據(jù)表。（圖 2）這是一款適用于智能儀表和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IIoT) 應(yīng)用的、可內(nèi)部安裝的 Wi-Fi 追蹤射頻天線。數(shù)據(jù)表中包含有關(guān)該器件的輻射模式、最大傳輸功率、頻率響應(yīng)、增益和效率等信息。讓我們來(lái)了解一下這些參數(shù)的含義。

圖 2：ST0224-10-401-A Wi-Fi 追蹤射頻天線可內(nèi)部安裝，且適合智能儀表和 IIoT 應(yīng)用。（圖片來(lái)源： Amphenol）

輻射模式： 以圖形方式定義天線如何在三維空間中輻射（或吸收）射頻 (RF) 能量。數(shù)據(jù)表通常會(huì)顯示兩到三個(gè) 3 維輻射模式切片，其中一個(gè)顯示 XY 平面上的輻射峰值，另一個(gè)顯示 ZY（和/或 ZX）平面上的峰值（圖 3）。通常情況下，當(dāng)天線安裝在最終產(chǎn)品中時(shí)，這種平面圖被稱為 “方位角”（XY 平面）和 “仰角”（與 XY 平面正交，例如穿過(guò) ZY 平面）。

圖3：所示為 Wi-Fi 追蹤天線在 XY 平面（左）和 ZY 平面（右）上的峰值輻射模式。（圖片來(lái)源： Amphenol）

全向天線（如偶極天線）在所有方向上都能相對(duì)均等地輻射或接收無(wú)線電能量。這種天線適合許多物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，因?yàn)殚_(kāi)發(fā)人員往往需要確保設(shè)備之間在任何相對(duì)方向上的連接。Amphenol 的 ST0224-10-401-A 天線的數(shù)據(jù)表顯示，該天線是一種全向天線。

全向天線的缺點(diǎn)是傳輸能量會(huì)在不斷擴(kuò)大的球體表面耗散，從而以指數(shù)形式衰減信號(hào)強(qiáng)度并影響傳輸距離。與此相反，定向天線使用波束形成等技術(shù)將無(wú)線電能量集中在特定方向上，從而增大了傳輸距離。

最大功率傳輸： 當(dāng)傳輸線路阻抗 (Z 0 ) 等于天線阻抗 (Z a ) 時(shí)，功率傳輸達(dá)到峰值。通常，即使是設(shè)計(jì)良好的阻抗匹配電路，也會(huì)有一些功率被天線沿傳輸線反射回來(lái)。衡量 Z0 和 Za 阻抗匹配程度的常用指標(biāo)是電壓駐波比 (VSWR)。VSWR 為 1 時(shí)，表示不存在阻抗不匹配損耗，數(shù)字越大表示損耗越大。

例如，VSWR 為 3.0 時(shí)表示約 75% 的功率傳遞到天線。反射波與入射波的功率比稱為回波損耗 (RL)。這表示反射波功率比入射波功率降低了多少分貝 (dB)。VSWR 低于 1.5 (L ≈ 14 dB) 就是一種令人滿意的匹配。在 2.4 GHz 和 5 GHz 頻段工作時(shí)，Amphenol ST0224-10-401-A-10 天線的 RL 為 -10 dB。

由于 RL 也取決于無(wú)線電頻率，因此開(kāi)發(fā)人員應(yīng)檢查天線的頻率響應(yīng)，以確保在預(yù)定工作頻段內(nèi) RL 最小（圖 4）。

圖 4：RL 取決于頻率。開(kāi)發(fā)人員應(yīng)確保天線在預(yù)定工作頻率下具有最小 RL。（圖片來(lái)源： Amphenol）

增益和效率： 增益描述了在峰值輻射方向上的傳輸功率大小，通常以 dB 為單位，參考各向同性天線 (dBi)。增益與天線的指向性和效率有關(guān)。指向性衡量天線輻射模式的方向性。例如，完美的全向天線的定向性為零，指向性為 1（或 0 dB）。指向性通常以輻射模式的峰值 (D max ) 來(lái)表示。在天線規(guī)格表中，增益比指向性更常被引用，因?yàn)樵鲆婵紤]了 VSWR 失配和能量損失。

效率 (η) 是總輻射功率 (TRP 或 P rad ) 與輸入功率 (P in ) 之比。TRP 的計(jì)算方法是，對(duì)整個(gè)輻射模式的發(fā)射功率進(jìn)行積分。要計(jì)算 η，可使用公式 η = (P rad /P in ) * 100%。天線的峰值增益為 Gainmax = η * D max 。

增益為 3 dB 的發(fā)射天線的輻射功率是輸入功率相同的各向同性無(wú)損天線的兩倍。無(wú)損天線的效率為 0 dB（或 100%）。同樣，峰值增益為 3 dB 的接收天線接收到的功率是各向同性無(wú)損天線的兩倍。以我們的 Amphenol 為例，2.4 GHz 頻段的峰值增益為 2.1 dBi，5 GHz 頻段的峰值增益為 3.1 dBi。

高增益并不總是好事。如果傳入信號(hào)的方向未知，那么最好使用低增益（低指向性）天線，以確保對(duì)來(lái)自各個(gè)方向的信號(hào)都能做出令人滿意的響應(yīng)。智能手機(jī)上的天線就是一個(gè)例子。這種天線需要低增益，因?yàn)閭魅牒桶l(fā)射到最近蜂窩基站的信號(hào)方向是任意的。

結(jié)束語(yǔ)

天線是物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品的關(guān)鍵部件。選擇不當(dāng)會(huì)嚴(yán)重影響無(wú)線設(shè)備的性能。天線選型過(guò)程中的某些工作簡(jiǎn)單明了，如選擇與工作頻率匹配的天線以及能夠適合可用空間的天線。選擇正確天線的關(guān)鍵是理解數(shù)據(jù)表中的術(shù)語(yǔ)，并特別注意輻射模式、最大傳輸功率、頻率響應(yīng)和增益。

審核編輯 黃宇