了解物联网天线规格书中的细微差别
发布时间:2024-11-28 10:04
发布者:eechina
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。 |
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