物聯網項目依靠無線連接來連接設備，但最佳連接類型以及天線技術取決于相關應用。

Wi-Fi 可能是接入點、便攜式設備或 IP 攝像頭的不錯選擇，而遠程監控、智能電表、智能建筑、智能城市、制造自動化、智能農業和跟蹤等工業應用更可能使用 LP -WAN 網絡，例如 NB-IoT、LoRa、SigFox、ISM 791-960MHz 或蜂窩網絡。每種類型的網絡都有各種各樣的嵌入式天線。

本文討論了可用的選項以及影響您選擇天線的一些因素。

天線選擇

您選擇的天線應整齊地適合 PCB 布局和堆疊。除此之外，它必須在要求的范圍內運行，不受干擾地運行，并使用合理的功率水平。當設計進入測試階段時，所有這些性能因素都將得到驗證，但明智的天線選擇和滿足其要求的設計將使設計有一個良好的開端。

乍一看，外形尺寸更小的天線可能看起來很有希望，但還有更多需要考慮。天線的拓撲決定了它的效率、帶寬、輻射方向圖和增益，因此最小的天線可能不是最佳選擇。

還有很多設計因素需要考慮，包括天線與其他組件的接近程度、天線在板上的位置、天線的接地平面要求以及設備使用環境中的干擾水平。

芯片或表面貼裝設計 （SMD） 天線在小型設備中變得非常流行。在這里，我們回顧一下 SMD 嵌入式天線的主要類型。

表面貼裝器件 （SMD） 天線

SMD 天線需要一個接地平面—— 天線用于諧振的一定大小的空間——位于天線 下方或附近。這意味著天線封裝必須沒有其他可能干擾天線輻射的組件，并且 PCB 上的所有層都應該有類似的間隙。

凈空區域中僅存在天線焊盤以及與饋電和接地的連接（圖 1）。每個天線的接地平面要求將在制造商的數據表中進行說明。

圖 1.這種天線，LP-WAN 的 Latona 芯片天線需要 20.0 x 11.0 mm 的間隙，與天線的尺寸相同。

跟蹤天線

跟蹤天線曾經是顯而易見的選擇。它們相對便宜，可以快速大規模復制。

然而，它們在電路板上占用的空間是現代芯片天線的十倍。由于它們是純二維的，它們無法提供與平面倒 F 天線 （PIFA）、芯片甚至貼片相同的節省空間的功能。在實踐中，它們可能難以調整，因為電路板材料或組件布局的微小變化會影響它們的性能，并且它們并不總是針對您的設備進行優化。

陶瓷貼片天線

陶瓷貼片天線在定位應用中很受歡迎，并且可以在車輛中很好地工作，但由于多種原因，它們的受歡迎程度有所下降。

首先，它們的方向性很強，必須直接指向天空才能有效運行。小型陶瓷貼片天線可能很昂貴，但由于可用于發射和接收射頻能量的陶瓷材料短缺，它們的性能會有所不同。

較小的貼片天線往往只支持較窄的頻段，因此在需要更寬頻率的情況下，其他類型的天線更可取。

PIFA Antennas

PIFA 已成為事實上的無線解決方案。它們現在在手持設備、可穿戴設備和小型物聯網設備中無處不在，主要是因為它們可以提供高水平的性能和小尺寸，還因為它們廣泛可用且價格低廉。它們在四分之一波長處產生共振并產生良好的 SAR 特性。

所有這些使它們成為設計師的便捷選擇。它們易于集成，電路匹配只涉及一個簡單的匹配電路。還有一個優勢：它們可以放置在 PCB 接地平面的頂部，以允許將組件放置在天線下方。PIFA 是目前最流行的天線拓撲，因為它外形小巧且能夠提供高水平的性能。

電小天線

ESA 或電小型天線比其指定波長短得多。一些天線在接地平面的 1/4 或 1/2 上工作，而 ESA 可以小至波長的 1/10。

世界上第一批天線中的一些使用了這種拓撲結構，它們的性能最近在增益、帶寬和場方向圖方面有了顯著提高。這些天線可能很小，可能小于 20 毫米。它們相對不受接近和失諧的影響，并且可以使用一種稱為波束控制的技術來相對輕松地擴展其系統容量。

磁環天線

最后，還有磁環天線，它與天線附近區域的磁場波耦合。它們在需要在緊湊外形內實現高性能的超小型設備中完美運行。它們具有抗失諧的能力，是 PCB 空間非常寶貴且性能至關重要的可穿戴和手持設備的理想選擇。

其他天線類型和拓撲

SMD 并不是嵌入式無線的唯一解決方案；還有其他天線拓撲可能對某些物聯網和嵌入式設計有用。

有靈活的和外部的天線，它們都具有優勢。柔性天線不直接位于 PCB 上，也不需要接地層。外部天線位于設備外部，可與各種接地平面尺寸良好配合，并在自由空間中有效運行，從而簡化了天線集成。

圖 2. SMD、FPC 和終端天線

柔性天線

如果設備內沒有太多空間，柔性天線 （FPC） 可能是一個不錯的選擇。FPC 不需要放置在實際的 PCB 上——它通過自己的集成 I-PEX 電纜連接到系統。

FPC 不需要接地層來輻射，因此它可以塞進設備的外殼內。這有助于節省 PCB 上的空間，但 FPC 天線的集成需要小心，因為電纜在輻射時實際上會成為天線的一部分。

圖 3.放置在跟蹤設備外殼內的SRFC025 柔性天線，并通過其電纜和 I-PEX 連接器連接到電路板。

終端天線

在應用程序需要關鍵任務無線性能的情況下，終端天線可能會提供獲得最高性能水平的機會——尤其是在存在其他射頻噪聲的環境中。這些天線要大得多，并放置在設備的外部。

它們可以在自由空間中實現出色的性能，而無需任何設備內調整或匹配。

電路板尺寸和布局：節省空間

PCB 設計的尺寸和布局可能會決定您對天線的選擇。空間總是很寶貴，因此緊湊、低調的天線通常是一個不錯的選擇。

請記住，天線應遠離其他“嘈雜”的組件，例如電池、電機和設計的金屬部件，這可能會造成干擾并影響設備的無線性能。如果設備的外殼由金屬制成，則可能會導致問題，因此塑料通常是更安全的選擇

接地層要求將是決定電路板布局的一個因素。如果空間狹小，設計用于在 PCB 的一個邊緣或一角工作的芯片天線可能是一個不錯的選擇，可以節省電路板上的大量空間。

圖 4.該天線在角落工作，并提供左右選項，讓設計人員可以在 PCB 上進行更多位置選擇。

如果天線是為角落設計的，它可能提供左右選項，為設計人員在 PCB 上提供更多位置選擇。

制造商的數據表將準確解釋天線應如何放置和集成到設計中。

物聯網環境

最后，應該創建一個良好的無線設計，以便在使用它的環境中運行。

物聯網解決方案經常出現在商業和工業環境中。在工廠自動化、車輛和集裝箱跟蹤以及智能建筑的計量解決方案中都有物聯網應用。但是，這些可能不是 RF 的好環境。當附近有金屬物體，或電機，或其他無線設備，甚至是人時，可能會影響無線性能。

在消聲室中測試設計將展示設備在完美環境中的性能，但每個原型也應在其真實工作環境中進行測試。測試是實現工作設計和獲得監管批準的第一步。

審核編輯：郭婷