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【欧亿平台怎么注册】物联网天线选择的4个关键之天线在物联网产品开发中的重要性

上网不再仅限于为人们使用的设备;现在,我们可能永远不会直接互动的事物占了数十亿个连接,而且这个数字还在上升。随着车辆之间的连接越来越紧密,我们将看到对V2X的需求增加,5G服务的推出将提供更多的连接性,而基于位置的服务对GPS和GNSS功能的需求也在不断增加。所有这些应用程序都依赖于无线通信,在许多情况下,它们将隐藏在视线之外,位于大型机器,车辆甚至桥梁之类的结构中。

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物联网(IoT)能够在未来几十年中蓬勃发展,这并非神秘。预计短程物联网小工具的数量将超过移动设备,物联网将渗透到工业,商业和消费者应用中。话虽这么说,物联网终端设备,网关,调制解调器和基站的景象充斥着许多标准组织,它们各自的协议试图缓解定制专有硬件和缺乏厂商中立性带来的限制。这些财团还尝试针对特定应用优化硬件和软件规格,以便(尽管没有一种适合所有人的物联网平台),可能会有一个标准的物理(PHY)和媒体访问控制(MAC)层最适合选择的应用程序。例如,WirelessHART标准是由HART通信基金会开发的,具有低延迟,高可靠性,不错的电池寿命(3-5年)和中等吞吐量(〜150 Mbps)传输,可用于工业物联网(IIoT)。新兴的低功耗广域网(LPWAN)架构可实现超高链接距离(<1 km),极高的电池寿命(〜10年)和低吞吐量,每秒比特(bps)左右)用于农业,工业,医疗和智慧城市应用的传输。

伴随着这个多样化的物联网联盟生态系统,出现了无数终端设备,它们利用了各种传感器/执行器,MEMS设备,电池/电池,能量收集技术,无线电模块,最后是天线。在任何无线应用中,天线的选择和设计都取决于可用空间,传输强度和频率范围。尽管如此,各种无线网络拓扑之间仍然存在显着差异。

物联网产品天线的重要性不可夸大。它是与外界的接口。本文讨论了天线为何如此重要以及天线性能如何影响客户对产品的看法,从而影响产品的成功。

物联网产品天线的重要性不可夸大。详细了解天线性能如何影响客户对产品的看法,从而影响其成功。

首先,我们将讨论天线的基本理论,然后讨论设计人员可能用来改善通信的策略,并说明良好的天线设计是最有效的选择。最后,说明天线设计选择如何对无线或物联网产品的成功产生重大影响。

天线是将射频能量从发射器传输到接收器的系统的一部分。该系统包括发射机,将RF能量馈送到天线的方法,天线本身,从发射天线到接收天线的信号传播路径,接收天线,将RF馈送到接收机的方法以及接收机本身。

为了使该系统正常工作,必须有足够的信号电平到达接收器,以使传输成功解码。构成“足够”信号电平的因素取决于接收器的噪声电平,因此该电平表示为以分贝(dB)为单位的信噪比(SNR)。噪声仅仅是任何不需要的信号,例如其他电子设备产生的干扰。损益以分贝表示。发射和接收的功率电平通常以1毫瓦的电平为基准,并表示为dBm。

我们可以使用如下公式来计算整个系统的性能(简化示例,使用标准缩写Tx和Rx表示发送器和接收器):

Rx功率(dBm)= Tx功率(dBm)– Tx馈电损耗(dB)+ Tx天线增益(dB)–传播损耗(dB)+ Rx天线增益(dB)– Rx馈电损耗(dB)

该方程式称为链接预算。我们可以计算接收器接收到的信号,并将其与噪声水平进行比较,得出SNR。如果SNR足够高,则信号将被成功解码。

改善无线通信的可能策略

根据此等式,很明显,我们希望最大化对接收信号有积极影响的因素(Tx功率,Tx天线增益和Rx天线增益),并最小化不利因素(Tx馈电损耗,传播损耗,和接收进给损失)。我们还希望将接收器处的噪声降至最低,以提高SNR。

可以增加发射器功率,但没有一个发射器效率为100%(浪费的功率随热量散发),而功率加倍仅相当于增加了3dB。大多数项目缺乏电池容量和散热能力,无法实现高发射功率。

作为RF工程师,我们对环境噪声几乎无能为力,但是我们可以确保Rx天线位于适当位置,以最大程度地接收有用信号,并最小化产品其他部分的噪声接收。

传播损耗取决于Tx和Rx天线之间的距离以及信号必须通过的信号。信号比金属,混凝土或(在某些情况下)人更容易通过露天传播。我们必须考虑产品中的任何物质或产品的使用方式是否会削弱信号传播。

天线实际辐射的RF能量的比例取决于是否针对使用的频率对其进行了正确的调整。如果天线未正确调谐,则一部分发射功率会反射回发射机,而不是被天线辐射。

必须将天线设计为在所需频率下具有高效性能,设计人员应注意不要放置天线,以免被(例如)产品外壳,组件或用户身体(例如客户的身体)所干扰。 (在手持设备的情况下为手)。

最简单的(理论上的)天线是各向同性辐射器。它在所有方向上都发出均匀的信号,就像扩展的球体一样。这就是所谓的天线“模式”。无论产品或天线的方向如何,接收器都会接收到相同的信号。

但是,没有实际的天线是真正的各向同性。它们都在某些方向比其他方向辐射更多的信号。有时这是理想的-例如,如果将产品固定在一个位置上-并且会产生更大的收益。但是,如果可穿戴,手持式或移动产品上的天线显示出不均匀的方向图(意味着信号在某些方向上比其他方向发射更多),则当产品处于特定方向时,可能会失去通信。

无线或物联网产品中天线设计的重要性

正确的天线设计,测试和集成的重要性应该显而易见。经过精心设计和测试的天线可通过以下方面为产品的成功做出贡献:提供增益(在适当的情况下,例如固定产品),以增加辐射信号,同时不消耗额外的电池电量;和确保在各个方向(对于可穿戴设备,手持设备和IoT产品)的信号传播相对一致,从而不会因移动而丢失通信;和最大化信号电平,同时通过最佳位置将噪声接收最小化(尤其是最大程度地减少产品中其他组件的噪声接收,避免信号从产品或外壳中屏蔽出来,并确保天线不失谐)。

请注意,每次通信都涉及两个天线-Tx天线和Rx天线。因此,产品天线性能的任何改善都会使接收到的SNR提升两倍。

改善Rx功率,从而改善SNR,将改善数据速率,扩大范围,增强安全性并全面改善用户体验。这些因素不仅可以提高客户满意度,还可以在产品选择过程中的审查和全面测试中提高产品性能。

我们不能依靠参考实施中的天线设计。这样的设计没有考虑到特定于产品的因素,例如外壳和组件布局。参考设计旨在提供指导,而不是作为一种优化的客户就绪解决方案。他们可能在测试台上工作,但是在竞争激烈的市场中这是不够的,在该市场中,无线/ IoT产品依赖有效的通信来获得客户的满意并最终获得成功。

实例探究

2010年,著名智能手机的制造商发布了新产品,该产品具有(现在臭名昭著的)天线设计缺陷。如果以某种方式握住电话,则客户的手或手指的靠近会导致2.4GHz WiFi信号衰减。

发生这种情况是因为2.4GHz信号被水吸收,并且人体中的水分超过50%。尽管此问题在以后的型号中已解决,但该问题引起了声誉上的重大损失,并促使客户放弃该产品。它是完全可以预防的,应该在模拟或测试阶段就已确定。

在2019年,另一家智能手机和平板电脑制造商发布了一种产品,当以特定方向放置时,该产品表现出2.4GHz WiFi性能问题。此问题可能是由于客户的手的放置,不均匀的天线辐射图或这两个问题的组合引起的。该问题在媒体和产品评论中得到了广泛报道,对制造商造成声誉损害。

得益于正确的天线设计,测试和集成,全球各地的行业都在成功构建物联网产品,并不断取得成功。

低带宽应用的不同天线需求

物联网不同于极高吞吐量的无线网络,例如5G,高效无线(HEW也称为IEEE 802.11ax)和WiGig,它们通过利用毫米波中的巨大连续频谱空间(mmWave)将速度提高了10 Gbps数量级。频段)或通过使用高阶高级调制方案,例如载波聚合,64-QAM OFDM和多用户多输入多输出(MU-MIMO)。诸如此类的网络将经常使用高度复杂的天线结构,例如有源电子扫描天线(AESA),例如Massive MIMO和微蜂窝安装中的相控阵天线或开关波束阵列。

物联网网络和设备改为使用极少量的带宽(<5 MHz)来利用许可的和未许可的6 GHz以下频段,而LTE-A在载波聚合时使用高达20 MHz的带宽,而在5G的mmWave频谱利用中则超过20 MHz。物联网网络没有使用AESA来利用波束成形算法,而是使用星形,网状或点对点拓扑来智能地指导网关和终端设备之间的上行链路和下行链路。通常,这意味着通过使用相对简单的全向天线结构(例如芯片,PCB,鞭,橡皮鸭,贴片和有线天线)来完成建立链接的工作。许多基于物联网的开发套件和无线电模块,例如高通公司的万物联网(IoE)开发平台或Arduino GSM,都带有GPS,蓝牙和WiFi天线。

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图1:IoT设备依靠特定的拓扑结构(通常是星形或网状结构)从节点到节点或从网关到节点中继数据。理想的网络结构取决于所需的链路距离(网格拓扑仅限于非常短的距离),电池使用情况(网格必须始终处于待机状态,而基于星型的设备可以进入睡眠模式)以及延迟(取决于数量)从节点到云的跃点数)。(图片来源:富士通)

天线参数

通常,天线有两个定义参数:增益和方向性。方向性表示光束辐射在特定方向上的集中。因此,全向天线在所有三个维度上的分布都相当均匀,而定向天线的辐射方向图更窄。这通常是通过组合多个辐射元件来实现的。增益是数据表上最常见的规范,它是天线辐射总功率的量度。

使用未经许可的ISM频段的IoT网络必须在FCC规定的等效(或有效)各向同性辐射功率(EIRP)范围内,才能成为获得许可的数字发射机,从而减轻对拥挤频谱空间造成干扰的风险。EIRP是理想的各向同性天线必须提供的总功率,以在AUT最强波束的方向上提供与被测天线(AUT)相同的信号强度。此参数考虑了增益,发射机输出功率以及天线馈给引起的损耗,因此提供了收发器模块的更全面的视角。

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图2:天线可以呈现定向或全向辐射图。这些模式取决于天线类型。

物联网设备中使用的天线

上面列出了在IoT终端设备中使用的典型天线:电线,鞭子,橡皮鸭,桨,芯片和PCB。对于要求将天线沿设备主体布线的应用(例如:UAV),存在双/多频带天线和灵活天线结构的变体。如前所述,给定物联网应用的频率必须落在天线的带宽内。表1列出了一些常见的IoT应用程序及其各自的无线联网技术,以及它们所起作用的频带。尽管这些应用大多数都在未许可的ISM频段中运行,但医疗机构局域网(MBAN)和无线航空电子内部通信均具有专用频谱。

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表1:各种物联网技术的运行频率

鞭状天线和地平面注意事项

除了考虑带宽外,还有一个显着的空间因素。鞭状,橡皮鸭状和桨状天线具有模块化的优势,因为它们没有集成到IoT设备的PCB上,因此可以更方便地进行原型制作。这些是最常见的单极天线类型,特别是四分之一波鞭。大多数天线有两个在馈电点相交的两半。偶极子有两个辐射点,它们在馈电点汇合,而单极子天线则用接地平面代替了第二个。

通常,同轴电缆的屏蔽层用作像鞭状天线一样的同轴馈电单极子的接地层。大型单极天线装置可能会具有垂直于天线安装的四分之一波长半径。理想的接地平面反射波,使得接地平面背面的辐射方向图似乎具有另一个相同的单极天线;产生中心馈电偶极子的辐射方向图。但是,实际的接地层并不能完全实现“虚拟图像”天线,但是至关重要的是,相对于天线,要有足够的导电接地层(ƛ/ 4)。任何较小的影响都会影响辐射效率(与地平面电阻成比例),阻抗,谐振频率,并最终影响其性能。与较少使用的偶极天线相比,

鞭状天线也可以设计为具有防护等级(IP),并且还可以带有IP等级,例如IP67或IP68。在室外或恶劣的工业环境中,水,污垢,油和化学物质会损坏任何外部天线时,这一点尤其重要。

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图3:鞭状天线的辐射方向图。这些天线可以用耐用的玻璃纤维天线罩包裹起来,以防风雨。

贴片天线注意事项

贴片天线通常用于具有GPS功能的IoT设备中,因为卫星发送的信号通常为右旋圆极化(RHCP)或左旋圆极化(LHCP),而贴片天线可以设计为双极化,即通常通过用PIN二极管或RF MEMS器件切换扰动元件来重新配置。话虽如此,仍然有很多贴片天线在线性,RHCP或LHCP之间仅表现出一种极化,因此选择与传输匹配的极化至关重要。

芯片和PCB天线注意事项

带有嵌入式天线(如芯片和PCB)的IoT设备具有适合安装在狭小空间,缩小传感器节点尺寸的优势。由天线走线组成的PCB天线通常具有比基于芯片的天线更高的增益。PCB天线有多种天线拓扑,包括倒F型,L型和折叠单极型。接地平面在PCB天线的生产中尤其重要,因为较小的接地平面会以更窄的功能带宽,降低的天线辐射效率和修改的辐射方向图显着限制设计。与任何天线一样,辐射元件的体积与增益成正比,并且(通常)嵌入式PCB天线在板上占据很多空间。

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图4:PCB天线有多种拓扑结构。虽然此天线带有带有U.FL连接器的同轴电缆馈源,但是许多PCB天线都是通过微带传输线馈源直接位于设备板上的走线。

尽管如此,全向芯片天线通常具有心形辐射图,并且毫不奇怪地表现出一些最低的增益。在实际环境中进行测试时,这些天线可以在特定方向上显示更高的方向性,并且可能具有用于生成链接的更理想的方向。可穿戴式物联网应用(如WBAN)由于其尺寸优势以及较短的链路距离可以接受的折衷,很可能需要使用芯片天线。

物联网定向天线

八木(Yagi)等定向天线和扇形天线可用于扩展传输范围或用于IoT基站。与全向天线结构相比,高增益定向天线的机械移位可能会提供更大的链路距离。例如,八木天线通常用于IIoT的监督控制和数据采集(SCADA)系统中,从而提高了数据吞吐量和可靠性。面板(扇区)天线通常比SigFox,LoRa和WLAN基站中经常使用的八木天线具有更大的波束宽度,因为可以将多个结构安装在一起,从而提供360度覆盖范围。

其他天线注意事项:内部噪声和外部障碍

除了特定于天线拓扑的注意事项外,还有更多一般性的障碍可以阻止信号传输。某些板载组件会生成虚假信号,从而可能会阻止正确的信号发送/接收。必须通过仿真软件或测试(或两者都进行)进行充分分析,以最大程度地减小RF前端中的噪声。此外,像金属外壳这样的阻碍传播的障碍,需要外部天线才能使信号到达网关或终端节点。诸如建筑物和山脉之类的环境障碍会导致衰落和其他多径效应,从而妨碍正确的上行链路/下行链路。但是,这仅对于具有更长链接距离的系统而言才是问题。最终,理想地设计IoT系统的唯一方法是通过实验对组件,天线,和节点放置以及套管材料。表2列出了可用于改善IoT设备范围的一些措施。

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表2:范围扩大的因素

多重问题

正如有许多物联网标准和协议可以适应各种物联网应用一样,也有各种各样的天线可以帮助辐射所有这些信号。工业无线传感器网络(IWSN)可能要求传感器节点(和天线)具有高可靠性,尽管恶劣的环境因素可以可靠地进行空中固件升级,以维持适当的安全措施。可能利用WLAN或某种形式的LPWAN(或同时使用两者)的智能农业应用还需要外壳外部的IP额定天线。大多数MBAN应用可能需要具有芯片天线的可穿戴模块,这些天线具有非常严格的功率规格,并最终通过无线链路与控制设备进行通信。智能家居和智能电器的电源可能不那么严格,但是天线很可能需要装入外壳中,在这些应用中可以使用小型或柔性天线。天线结构可能会发生很大变化,以最适合任何特定物联网应用的传输特性。

无线连接是许多物联网应用的关键推动力,尤其是那些需要移动或有线数据通信成本效益不高或不可行的应用。流行的无线协议包括Bluetooth®,ZigBee®和Wi-Fi®,它们在2.4GHz或5GHz频段内运行,并可以在相对较短的范围内维持较高的数据速率。LoRa和Sigfox等标准支持在低于GHz的频段(欧洲为868MHz)下以较低的数据速率进行更长距离的连接。

基于这些协议中的任何一个来设计RF子系统都需要专业技能,通常最容易通过采用无线模块或参考设计来获得,该协议附带已集成的协议栈并解决了关键的硬件布局问题。尽管这些可以大大简化设计挑战,但要实现有效的解决方案并非易事,即插即用型企业。

1.系统是天线

在必须应对的挑战中,选择和集成合适的天线会对RF子系统产生重大影响,并因此在通信范围,总体功耗和电池寿命方面影响系统性能。

通常需要将天线安装在设备外壳的内部,这通常需要小尺寸和仔细定位以确保最佳性能。另一方面,合适的天线也应具有高效率和覆盖所需频率范围的足够带宽。

改善这三个参数中的任何一个都是以其他两个参数为代价的。因此,使用数据表中的数字仅作为最终应用中性能的指南,因此实现合适的天线需要妥协。诸如天线连接,相对于外壳内部其他组件的位置以及外壳材料的特性以及可能会施加到其上的任何涂层等因素也会产生明显的影响。

出于这些原因,最好在项目中尽早考虑天线设计问题,并且从整个RF性能的角度出发,整个系统就是天线。

2.集成2D或3D天线

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图1:有效利用接地层可以使天线更小

天线基础知识的讨论将表明,中心馈电偶极子天线的长度应等于信号波长的一半,以实现谐振。较小的单极天线的组合,具有四分之一波长的长度,靠近作为返回路径连接的接地平面,具有类似的效果;空间受限的物联网设备的理想选择。接地平面有效地产生了单极导体的图像(图1),因此必须具有足够的尺寸。

一个简单的四分之一波长线状天线可以布置在PCB上方的自由空间中,由设计成与RF放大器输出阻抗匹配的传输线馈电。实际上,小型化的PCB天线更适合批量生产。通常具有倒F,L形或曲折的天线方向图,它们可靠,易于使用且无需调整。

可以将PCB天线连接到接地层上方的主电路板上。接地层必须是主电路板的顶层,并且设计必须遵守天线数据表中指定的“避开”区域。

PCB天线应安装在电路板的边缘。如果外壳内部的空间限制要求在天线定位方面具有更大的灵活性,则可以使用微型同轴电缆和U.FL连接器将PCB天线连接到主板。冲压金属天线是一种合适的选择,尤其是当优先考虑大批量,高速组装时。如果空间非常有限,则可以考虑使用模制互连设备(MID)技术制成的三维天线。

尽管可以选择与射频放大器输出具有相同阻抗的天线,但电路板上附近组件的负载以及设备外壳的材料属性可能需要插入匹配的网络。这可以是用于单频带天线的简单的单串联电容器和并联电感器,也可以是用于双频带应用的更复杂的网络(图2)。

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可能需要阻抗匹配电路以使功率传输最大化

3.确保及时交付定制天线

能够满足系统性能要求的标准天线通常会提供最经济高效的解决方案,这得益于简便快捷的现成可用性。另一方面,如果尺寸限制非常严格或性能目标极高,则可能需要定制天线。为了确保及时交货,建议尽早咨询供应商。供应商需要了解频带带宽,效率,链路预算以及任何多频带要求。

4.规划RED和EMC合规性

在欧洲销售的无线物联网设备必须符合最新推出的无线电设备指令(RED)以及欧盟电磁法规(EMC)指令。就EMC而言,诸如为系统各部分供电的开关稳压器之类的高频电路或诸如电流环路之类的无用辐射器可能会引起问题。如果事后再考虑EMC,那么作为板块级屏蔽之类的快速解决方案所采用的常用技术可能会严重损害天线的性能。

提供了多种标准天线,这些天线设计用于适合IoT应用的频率,并且与适用于典型IoT端点的极端尺寸和功率限制兼容。然而,成功集成天线并不是简单的即插即用练习,需要仔细选择,了解系统中其他组件(包括外壳)的效果以及对天线的馈电和定位进行微调。同样值得关注技术发展。为了在小型化,效率和带宽之间取得平衡,研究人员正在研究诸如石墨烯的先进材料-利用其优异的导电性来印刷薄而柔性的天线,介电负载的聚合物以及可穿戴应用的纺织天线。

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