本文編譯自Embedded-Computing

物聯網項目依賴于無線連接，而無線連接信號的好壞，則依賴于芯片本身以及天線。

Wi-Fi是便攜式設備或IP攝像頭的首選，而工業應用（如遠程監控、智能儀表、智能建筑、智能城市、制造自動化、智能農業和跟蹤）更可能使用LP-WAN網絡，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。

本文將討論可用的天線選項以及影響選型的一些因素。

天線選擇

所選擇的天線應該無縫地融入PCB布局。除此之外，它必須在要求的范圍內工作，無干擾運行，并使用合理的功率水平。當進入測試階段時，所有天線的性能都將進行驗證，但明智地選擇天線和滿足其要求的設計將使設計有一個良好的開端。

乍一看，小尺寸的天線似乎是最好的，但還有更多的需要考慮。天線的拓撲結構決定了它的效率、帶寬、輻射方向和增益，所以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，包括天線與其他部件的距離、天線在板上的位置、天線的接地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）天線在小型設備中已經非常流行。本文介紹了表面貼裝天線的主要類型。

表面貼裝設備（SMD）天線

貼片天線需要一個接地層與天線用來共振，需要一定的空間。這意味著天線的覆蓋范圍必須沒有干擾輻射的其他組件，并且PCB上的所有層都應該有類似的間隙。

此時天線空間內，只有天線墊以及與饋線和接地的連接（圖1），剩下的都需要是空白區域。每個天線的接地層要求將在制造商的數據表中給與說明。

圖1 用于LP-WAN的Latona芯片天線需要20.0 x 11.0 mm的間隙，這與天線的尺寸完全相同。

PCB天線

PCB天線曾經是顯而易見的選擇。它們相對便宜，可以迅速大規模復制。

然而，它們所占用的空間是現代芯片天線的10倍。由于它們是純二維的，不能提供與平面倒F天線（PIFA）、芯片甚至貼片一樣的節省空間的功能。在實際中，它們可能很難調整，因為電路板材料或元件布局的微小變化可能會影響它們的性能，而且它們不容易針對設備進行優化。

陶瓷貼片天線

陶瓷貼片天線在定位應用中很受歡迎，可以在車輛上很好地工作，但是由于一些原因，它們的受歡迎程度有所下降。

首先，它們的指向性很強，必須直接指向天空才能有效運作。小型陶瓷貼片天線可能很昂貴，但由于依賴發射和接收射頻能量的陶瓷材料，它們的性能有所不同。

較小的貼片天線往往只支持窄帶，因此在需要更寬頻率的地方，其他類型的天線更適合。

PIFA天線

PIFA已經成為事實上的無線解決方案。它們現在普遍存在于手機、可穿戴設備和小型物聯網設備中，主要是因為它們可以提供高水平的性能和較小的外形尺寸，但也因為它們廣泛可用且價格低廉。它們在四分之一波長處共振，產生良好的SAR特性。

所有這些都使得PIFA成為工程師的最佳選擇。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：它們可以被放置在PCB地平面的頂部，從而允許組件被放置在天線下面。PIFA是目前最流行的天線拓撲結構，因為它的體積小，能夠提供高水平的性能。

電小型天線

Esa（Electrically small antenna），即電小天線，比它們指定的波長短得多。雖然有些天線在接地層的?或?上工作，但esa可以小到波長的1/10。

世界上最早的一些天線使用了這種拓撲結構，最近它們的性能在增益、帶寬和場模式方面都有了很大的提高。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容易地調整其容量。

磁環天線

最后磁環天線與天線附近區域的磁場波耦合。他們完美地工作在超小型設備，要求高水平的性能和緊湊的外形。它們具有抗失諧性能，是可穿戴和手持設備的理想選擇，在這些設備中，PCB空間很緊湊，性能至關重要。

其他天線類型和拓撲

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

此外還有柔性天線和外接天線，兩者都有優點，柔性天線不直接安裝在PCB上，也不需要接地平面。外部天線位于設備的外部，在各種接地平面尺寸下工作良好，并在自由空間中有效工作，從而簡化了天線集成。

圖2 SMD、FPC和終端天線

柔性天線

如果設備內部空間不大，柔性天線（FPC）可能是一個不錯的選擇。FPC不需要放在實際的PCB上——它通過自己的集成I-PEX電纜連接到系統。

柔性線路板不需要接地平面，因此可以將其塞進設備外殼中。這有助于節省PCB上的空間，但FPC天線的集成需要小心，因為線纜也會像天線一樣輻射干擾。

圖3 SRFC025柔性天線，位于設備的外殼內，通過電纜和I-PEX連接器連接到板上。

終端天線

當應用需要關鍵任務無線性能時，終端天線可以提供獲得最高性能，特別是在存在其他射頻噪聲的環境中。這些天線要大得多，安裝在設備的外部。

它們可以在自由空間中獲得出色的性能，而無需進行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。空間總是很貴的，所以緊湊、低剖面的天線通常是一個不錯的選擇。

請記住，天線應遠離其他“噪聲”源，如電池、電機和設計中的金屬部件，這可能會造成干擾并影響設備的無線性能。如果設備的外殼是用金屬制造的，那么它的外殼可能會引起問題，所以塑料外殼往往是比較安全的選擇。

如果空間狹小，設計成在PCB的一個邊緣或一個角上工作的芯片天線是一個不錯的選擇，可以節省電路板上的有用空間。

圖4 放置在角落中的天線，并提供了左和右選項，讓設計師在PCB上有更多的位置選擇。

如果天線是在角落設計的，它可能有左和右兩種選擇，為設計者在PCB上提供更多的位置選擇。

制造商的數據表將準確地解釋天線應如何定位并集成到設計中。

物聯網環境

最后，一個好的無線設計應該適合環境。

物聯網解決方案通常出現在商業和工業環境中。物聯網應用于工廠自動化、車輛和集裝箱跟蹤以及智能建筑的計量解決方案。然而，這些可能不是射頻的良好環境。當附近有金屬物體，或電機，或其他無線設備，甚至人時，無線性能可能會受到影響。

在暗室中測試該設計是展示該設備在完美環境下的性能，但每個原型也應在其真實的工作環境中進行測試。測試是實現工作設計并獲得監管機構批準的第一步。

Geoff Schulteis是Antenova有限公司的高級天線應用專家。
編輯：hfy