利用多功能、紧凑型天线增强物联网应用

来源：Digikey
作者：Pete Bartolik

选择合适的天线对物联网 (IoT) 无线应用的成功至关重要。选择的天线既要性能高又要能灵活地支持不同的网络，这样才可以增强电子应用的商业吸引力。

产品设计人员可能会将天线视为无源元件，但随着他们不断采用新功能来开发物联网生态系统，天线对电子应用的成功变得越来越不可或缺。特别是在工业物联网 (IIoT) 应用中，天线支持多个无线网络可以实现关键的冗余、弹性和覆盖优化。

除了支持 Wi-Fi 应用外，人们越来越需要采用蜂窝天线，以提供确保物联网成功所需的关键功能。频谱效率对于对冲无线通信增长带来的干扰至关重要。提高能效以延长电池寿命是另一项关键要求。许多物联网应用必须在恶劣的环境中运行，例如室外充电站，需要坚固耐用的天线来抵御恶劣的天气条件或人为破坏。

要确保信号性能不受混凝土或金属等物理建筑材料的明显影响，就需要高效的天线。随着无线服务的竞相接入，干净、无干扰的传输对于避免干扰和信号噪声越来越重要。随着对工业 5G 应用的需求的不断增长，这将促使设计人员采用微蜂窝和小蜂窝技术，以克服 5G 无法穿透窗户和墙壁的问题。

不同的网络适合的领域各不相同，因此为满足客户的需求，产品设计人员需要更高效的天线才可以实现更广泛的覆盖，无论是室内还是室外。同样重要的是，产品设计人员可以利用多网络支持带来的适应性，使其应用更加适应未来需要。

多网络支持可让供应商和客户在不同环境中使用一种类型的天线提供连接，而无需管理复杂的多天线库存。它还允许将不同类型的连接组合在一起，以平衡网络负载，并将数据流量分配到多个路径上，从而防止拥塞，并通过为特定任务选择最佳网络选项来优化性能。客户可以根据数据需求选择最具成本效益的网络，并在 Wi-Fi 足够使用的情况下避免使用蜂窝数据。

满足挑战性环境需要

无线连接通常是各种环境中任务的关键，这给产品设计人员带来了众多挑战。

例如，智能工厂需要在工厂设备、传感器和中央管理系统之间进行可靠的通信，而且通常是在恶劣的工业环境中进行的。在 Wi-Fi 和蜂窝网络共存的大型仓库中，多网络天线可确保库存跟踪和物流管理的无缝连接。

有了高性能天线，就可以在偏远地区部署传感器，从气象站和空气质量监测器获取数据，并跟踪资产或实现智能楼宇应用。在农业领域，它们可以提供有关土壤湿度、作物健康和灌溉系统运行的重要信息。

其他新兴应用包括：无论天气如何都需要与后台系统通信的电动汽车充电站；提供实时显示和公告的数字标牌；需要实时监控和门禁控制的安全存储解决方案；以及移动票务和乘客信息系统。

每种物联网应用都有独特的需求，产品设计人员必须适应特定的使用案例以及环境和通信要求。物联网设备在不同的频段上运行，这可能会影响性能；此外，设备空间有限，这使得在不影响其他组件的情况下集成天线具有挑战性。

在为物联网应用选择合适的天线时，需要考虑的一些因素包括性能、尺寸、成本和兼容性。这很容易导致设计人员为满足客户需求而集成不同的天线，从而产生复杂的支持和供应链问题。

多网络协议

低功耗广域网 (LPWAN) 协议（如窄带物联网 (NB-IoT) ）支持低数据速率，需要低功耗、高增益和高效率，以保持长距离的稳定连接。应用通常需要全向天线提供大面积的宽辐射模式。

相反，短程 Wi-Fi 协议支持高数据传输速率，但要求低增益和高效率，以节省功耗并避免干扰其他设备。天线应提供窄辐射模式，以聚焦信号。

蜂窝物联网协议 LTE CAT-1 为物联网应用提供中等数据传输速率和中等范围的蜂窝连接。带宽接收范围为 1.4 MHz 至 20 MHz，协议支持最高 10 Mb/s 的峰值下行链路速率和最高 5 Mb/s 的峰值上行链路速率。应用可利用全双工和低功耗的优势。

LTE CAT-M1 努力在数据传输速率和能效之间取得平衡。其天线支持 1.4 MHz 带宽，下行链路和上行链路峰值速率均为 1 Mbit/s，所需的功率非常低。应用可利用全双工或半双工功能。

CAT-4 LTE 协议可大幅提高数据传输速率，降低延迟，满足包括实时应用在内的更高要求的物联网应用。该协议提供全双工功能，下行链路速率最高 150 Mb/s，上行链路速率最高 50 Mb/s。

多功能天线

TE Connectivity (TE) 推出 VersAnte 系列多端口物联网天线，外形小巧，可实现 4G/5G 蜂窝、Wi-Fi 和全球导航卫星系统 (GNSS) 的组合覆盖。由于能将不同的通信协议集成到单个天线中，工程师就可以用它简化设计。

与某些需要特定接地层才能获得最佳性能的天线不同，这些天线与接地层无关，既可安装在金属表面，也可安装在非金属表面，因此设计人员可将其放置在能优化信号接收的位置。天线罩可使用常见的非金属喷漆进行喷涂。

TE 的 VersAnte 天线可提供 360° 全向覆盖，减少了因信号微弱而导致的重新传输需求，从而降低了功耗。它们平衡了增益和功耗，优化了整体性能。

这些小巧的天线适用于空间受限的应用，可无缝嵌入狭小的空间，如小型物联网端点、数字显示屏和电动汽车充电站。天线坚固耐用，可在恶劣条件下提供可靠的性能，不易因人为破坏或环境因素而损坏。

VersAnte L000321-01（图 1）是一款 3 端口、扁平、圆球形天线。它提供 4G/5G 蜂窝、Wi-Fi 和全球导航卫星系统覆盖，可满足从物联网端点、智能终端到数字标牌等各种应用的需求。其高度为 1.024 英寸 (26.00 mm)，直径为 3.55 英寸 (90.2 mm)，以较小的封装实现了很高的性能。


图 1：VersAnte 蜂窝冰球状 L000321-01 天线。（图片来源：TE Connectivity）

TE 还提供 2 端口 L000322-01 和 3 端口 L000322-02 圆顶天线（图 2），每个天线都有两个 4G/5G 蜂窝端口和一个可选的 GNSS 端口。每个变型的尺寸为 5.90 x 1.77 x 1.97 英寸 (150 x 1.77 x 1.97 mm)。


图 2：VersAnte L000322-01 和 L000322-02 天线的外形尺寸。（图片来源：TE Connectivity）

结语

人们对新型无线应用的需求不断增长，需要设计人员能够将多种通信技术集成到产品中。TE Connectivity 的 VersAnte 天线用途广泛、坚固耐用，采用紧凑、小巧的设计，支持多种无线技术。它们能够在金属和非金属表面上运行，并达到 IP67 和 IP69K 防护等级，因此非常适合室内外环境中各种需要高性能可靠连接的物联网应用。