了解物联网天线规格书中的细微差别

来源：Digikey
作者： Steven Keeping

在设计无线物联网 (IoT) 产品时，你需要了解天线及其作为产品与外部世界之间唯一接口的作用。如果天线选择不当，最终产品虽然可以通信，但性能会大打折扣，致使用户可能会放弃，转而使用其他产品。

许多设计人员面临的问题是，天线解决方案似乎多得让人眼花缭乱，选择过程令人望而生畏。那么，如何为你的设计缩小最佳天线的选择范围呢？

有些决定是比较容易做出的。首先，找到针对你设计的工作频段进行了优化的天线。例如，如果产品使用 LoRa 连接并面向美国市场，则天线进行优化后可在 902 MHz 至 928 MHz 频段内工作。如果设备支持双频 Wi-Fi，则应天线进行优化后，可在 2.4 GHz 和 5 GHz 射频频段内工作。

其次，考虑最终产品的外形尺寸。例如，如果需要支持低功耗蓝牙 (LE) 的传感器具有高度紧凑的外形，那么 Amphenol 的 ST0147-00-011-A 就是一个不错的选择。这是一款 2.4 GHz 表面贴装片式天线。该天线的尺寸仅为 3.05 x 1.6 x 0.55 mm，可直接安装在设备电路板上。例如，Wi-Fi 接入点 (AP) 就是一个外形较大设备的例子。这种接入点既能为天线提供足够的空间，又能满足良好的覆盖范围和高吞吐量的要求。Amphenol 的 ST0226-30-002-A 外置鞭形天线（图 1）就是一个不错的选择。


图 1：ST0226-30-002-A 外置鞭形天线适合双频 Wi-Fi 接入点等应用。（图片来源： Amphenol）

了解工作频段和外形尺寸后，事情就变得复杂了。要选择符合功耗、可靠性、覆盖范围和吞吐量规格的天线，需要合理地理解数据表。

一探究竟

以 Amphenol 的 ST0224-10-401-A 的为例，这是一份典型的数据表。（图 2）这是一款适用于智能仪表和工业物联网 (IIoT) 应用的、可内部安装的 Wi-Fi 追踪射频天线。数据表中包含有关该器件的辐射模式、最大传输功率、频率响应、增益和效率等信息。让我们来了解一下这些参数的含义。


图 2：ST0224-10-401-A Wi-Fi 追踪射频天线可内部安装，且适合智能仪表和 IIoT 应用。（图片来源： Amphenol）

辐射模式：以图形方式定义天线如何在三维空间中辐射（或吸收）射频 (RF) 能量。数据表通常会显示两到三个 3 维辐射模式切片，其中一个显示 XY 平面上的辐射峰值，另一个显示 ZY（和/或 ZX）平面上的峰值（图 3）。通常情况下，当天线安装在最终产品中时，这种平面图被称为 “方位角”（XY 平面）和 “仰角”（与 XY 平面正交，例如穿过 ZY 平面）。


图3：所示为 Wi-Fi 追踪天线在 XY 平面（左）和 ZY 平面（右）上的峰值辐射模式。（图片来源： Amphenol）

全向天线（如偶极天线）在所有方向上都能相对均等地辐射或接收无线电能量。这种天线适合许多物联网应用，因为开发人员往往需要确保设备之间在任何相对方向上的连接。Amphenol 的 ST0224-10-401-A 天线的数据表显示，该天线是一种全向天线。

全向天线的缺点是传输能量会在不断扩大的球体表面耗散，从而以指数形式衰减信号强度并影响传输距离。与此相反，定向天线使用波束形成等技术将无线电能量集中在特定方向上，从而增大了传输距离。

最大功率传输：当传输线路阻抗 (Z0) 等于天线阻抗 (Za) 时，功率传输达到峰值。通常，即使是设计良好的阻抗匹配电路，也会有一些功率被天线沿传输线反射回来。衡量 Z0 和 Za 阻抗匹配程度的常用指标是电压驻波比 (VSWR)。VSWR 为 1 时，表示不存在阻抗不匹配损耗，数字越大表示损耗越大。

例如，VSWR 为 3.0 时表示约 75% 的功率传递到天线。反射波与入射波的功率比称为回波损耗 (RL)。这表示反射波功率比入射波功率降低了多少分贝 (dB)。VSWR 低于 1.5 (L ≈ 14 dB) 就是一种令人满意的匹配。在 2.4 GHz 和 5 GHz 频段工作时，Amphenol ST0224-10-401-A-10 天线的 RL 为 -10 dB。

由于 RL 也取决于无线电频率，因此开发人员应检查天线的频率响应，以确保在预定工作频段内 RL 最小（图 4）。


图 4：RL 取决于频率。开发人员应确保天线在预定工作频率下具有最小 RL。（图片来源： Amphenol）

增益和效率：增益描述了在峰值辐射方向上的传输功率大小，通常以 dB 为单位，参考各向同性天线 (dBi)。增益与天线的指向性和效率有关。指向性衡量天线辐射模式的方向性。例如，完美的全向天线的定向性为零，指向性为 1（或 0 dB）。指向性通常以辐射模式的峰值 (Dmax) 来表示。在天线规格表中，增益比指向性更常被引用，因为增益考虑了 VSWR 失配和能量损失。

效率 (η) 是总辐射功率 (TRP 或 Prad) 与输入功率 (Pin) 之比。TRP 的计算方法是，对整个辐射模式的发射功率进行积分。要计算 η，可使用公式 η = (Prad/Pin) * 100%。天线的峰值增益为 Gainmax = η * Dmax。

增益为 3 dB 的发射天线的辐射功率是输入功率相同的各向同性无损天线的两倍。无损天线的效率为 0 dB（或 100%）。同样，峰值增益为 3 dB 的接收天线接收到的功率是各向同性无损天线的两倍。以我们的 Amphenol 为例，2.4 GHz 频段的峰值增益为 2.1 dBi，5 GHz 频段的峰值增益为 3.1 dBi。

高增益并不总是好事。如果传入信号的方向未知，那么最好使用低增益（低指向性）天线，以确保对来自各个方向的信号都能做出令人满意的响应。智能手机上的天线就是一个例子。这种天线需要低增益，因为传入和发射到最近蜂窝基站的信号方向是任意的。

结束语

天线是物联网产品的关键部件。选择不当会严重影响无线设备的性能。天线选型过程中的某些工作简单明了，如选择与工作频率匹配的天线以及能够适合可用空间的天线。选择正确天线的关键是理解数据表中的术语，并特别注意辐射模式、最大传输功率、频率响应和增益。